УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

 ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ   КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ

 

 

 

Методические указания к

практическим

занятиям по дисциплине

 

 

 

Системы документальной электросвязи

 

 

 

 

                                                  Ташкент 2008

 

 

 

Авторы: Р.Х. Джураев, А.А. Ким,  О.Р. Джураев. Изучение принципов коммутации пакетов методические указания к практическим занятиям /ТУИТ.  50 с. Ташкент 2005

 

         В методических указаниях рассматриваются современное состояние и тенденции развития технологии передачи данных. Освещаются основные аспекты передачи данных, включая методы коммутации каналов, сообщений и пакетов. Описываются принципы и механизмы коммутации пакетов с использованием метода виртуальных каналов и дейтаграммного метода. Показаны достоинства и недостатки этих методов. Рассмотрено использование методов коммутации пакетов в технологиях X.25, Frame Relay, ATM, IP и MPLS.

         Настоящие методические указания предназначены как для бакалавров, так и магистров и содержат  основные сведения, необходимые для ознакомления и понимания принципов и методов коммутации пакетов. 

           

 

 

 

 

 

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

 

Изучение принципов коммутации пакетов

 

 

1. Цель занятий

1.1.  Изучение общих принципов и механизмов коммутации пакетов 

1.2. Коммутации пакетов с использованием дейтаграммного     метода

1.3.  Коммутации пакетов с использованием метода виртуальных каналов

 

2.     Домашние задания

2.1. Изучить теоретический материал, приведенный в настоящем пособии и литературе

2.2. Перечислите типы сообщений, сетей и службы передачи данных

2.3. Описать процессы коммутации пакетов с использованием дейтаграм-много метода и метода виртуальных каналов

2.4. Перечислите преимущества метода коммутации пакетов, обусловившие его    широкое применение

2.5. Перечислить основные особенности технологий X.25, Frame Relay, ATM, IP и MPLS 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1.     Дж. Куроуз, К. Росс, «Компьютерные сети» 2-е издание, С.-Пб.: Издательский дом "Питер", 2004

2.     Олифер В. Г., Олифер Н. А., «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы» 2-е издание, С.-Пб.: Издательский дом "Питер", 2004

3.     А. И. Назаров, «АТМ: Принципы и технические решения создания сетей» 2-е издание, Москва: Горячая линия - телеком, 2002

4.     В. Л. Бройдо, «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»   2-е издание, С.-Пб.: Издательский дом "Питер", 2004

5.       В.О. Шварцман «Выбор технологии передачи и коммутации в мульти-сервисных сетях на основе оптических кабелей» // «Электросвязь»,      № 8, 2003

6.     Лагутин В.С. “Современные технологии передачи данных” \\ «Электро-связь»,  № 8, 2001.

7.     Джураев Р.Х. «Изучение принципов IP-телефонии» Методические указания к практическим занятиям по курсу СДЭС. - Т.; 2004.

8.     www.citforum.ru

9.     www.antson.sc.ru

10. www.kunegin.narod.ru

11. www.book.itep.ru

12. www.pluscom.ru

13. www.pravo.kulichki.ru

14. http://www.elsop.com/wrc/h_web.htm

15. www.isoc.org/zakon/Internet/History/HIT.html

16. www.uzpak.uz

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Как показывает международная практика, радикальные изменения в информационной сфере экономически развитых стран, произошедшие на рубеже XX-XXI веков, существенно изменили облик инфокоммуникаций, которые стали одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся базовых инфраструктур общества.

Современная информационная инфраструктура страны состоит из мощных сетей телекоммуникаций (телекоммуникационный комплекс) и разнообразных информационных систем (информационный комплекс). В последние годы, в соответствии с общепринятыми тенденциями, происходит интеграция телекоммуникационного и информационного комплексов в единый инфокоммуникационный комплекс.

Международный опыт развитых стран показывает, что стратегической задачей является кардинальная перестройка национальных инфокоммуникационных инфраструктур на пути к глобальному информационному обществу (ГИО) в соответствии с основополагающими принципами его создания. В этой связи в указанных странах в последнее десятилетие серьезно проработаны основополагающие принципы создания и интеграции национальных информационно-телекоммуникационных инфраструктур в глобальную информационную инфраструктуру (ГИИ).

В последние годы также и в Республике Узбекистан сфера связи и информатизации становится одной из важнейших инфраструктур страны и ей принадлежит особая роль во многих сферах деятельности общества. Приоритетной задачей в Республике Узбекистан также  является создание и развитие национальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры на основе новых сетевых технологий передачи данных. Это обусловлено тем, что инфокоммуникации, проникая во все инфраструктурные и базисные компоненты общества, становятся одним из мощных инструментов управления страной и катализатором её экономического роста. Кроме того,  построение  информационного общества и успешная интеграция в мировое информационное пространство невозможно без развитой национальной инфокоммуника-ционной инфраструктуры, способной обеспечить доступ пользователей к современным инфокоммуникационным услугам. Такой доступ может быть обеспечен только на базе современных высокоскоростных технологий передачи данных, отвечающим мировым тенденциям развития и учитывающим требования, предъявляемые к современным инфокоммуникационным  системам и сетям.

Как показывает международный опыт, целый ряд новых проблем и задач в инфокоммуникациях возникает в результате интенсивного роста объема трафика данных, который в развитых странах превысил уже голосовой трафик, и перехода от технологий, базирующихся на традиционной коммутации каналов, к высокоскоростным технологиям на основе коммутации пакетов и организации новых служб ПД.

Как показывает международная и отечественная практика, на сетях передачи данных (СПД), наряду с классическим методом коммутации каналов в телефон общего пользования (ТфОП), используются методы коммутации пакетов (протокол  Х.25), коммутации кадров (Frame Relay), коммутации ячеек (АТМ) и коммутации пакетов, базирующихся на IP-ориентированных протоколах.

Как известно, компьютерному трафику (данные и текст)  присуще свойство пачечности, когда короткие периоды активности сменяются длительными паузами. Существующий метод коммутации каналов, являясь методом статического распределения сетевых ресурсов, не позволяет использовать возникающие паузы для передачи других сообщений, что является одной из причин низкого коэффициента использования пропускной способности СПД на базе коммутации каналов.

Для передачи компьютерного трафика были разработаны два метода коммутации пакетов: метод виртуальных соединений и метод дейтаграмм. 

Режим виртуальных соединений предполагает резервирование ресурса (пусть даже виртуального) на время сеанса связи. Наличие резервированного ресурса позволяет гарантировать определенное качество обслуживания и, естественно, подходит для применения в сетях телекоммуникаций общего пользования.

В методе дейтаграмм, также основанном на коммутации пакетов, виртуальное соединение не устанавливается, то есть отсутствует резервирование ресурсов и не обеспечивается гарантированное качество обслуживания. Главным достоинством метода дейтаграмм является простота механизма передачи пакетов. Этот метод положен в основу IP-протокола, а спецификация стека протокола ТCP/IP, является   основой сети Интернет. Процедуры транспортировки пакетов между узлами сети определяются IP-протоколом третьего (сетевого) уровня, а процедуры межконцевой доставки - TCP–протоколом четвертого (транспортного) уровня. Целью создания IP-протокола, который использовался в сети ARPAnet, являлось объединение компьютерных сетей, построенных на разных операционных системах; с учетом этого был выбран способ связи без установления соединения на сетевом уровне, а именно дейтаграммный вариант коммутации пакетов.

В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие глобальных сетей передачи данных с коммутацией пакетов. Именно на методах пакетной передачи и коммутации построено функционирование современных высокоскоростных сетей передачи данных. Заложенная в них идея проста: информация любого вида (данные, речь, видео) представляется в виде цифровой последовательности, которая в дальнейшем делится  на блоки «пакеты», снабженные всей необходимой информацией для идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок и прочее.    Подобный подход позволяет в едином информационном потоке передавать все виды информации, используя для этого различные технологии коммутации пакетов.

Настоящие методические указания рассматривают общие принципы и механизмы коммутации пакетов и предназначены как для бакалавров, так и для магистров и содержат информацию, необходимую для ознакомления с методом коммутации пакетов.

 

 

 

 

      

1.     СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

 

     1.1.  Основные понятия и определения передачи данных. Типы

сообщений и службы передачи данных

 

В системах административного управления информация передается как путем переноски (перевозки) информационных документов курьером (или по почте), так и с использованием систем передачи информации по каналам телекоммуникаций. Ручная переноска и механическая перевозка документов являются весьма распространенными способами передачи информации в учреждениях. Этот способ, при минимальных капитальных затратах, полностью обеспечивает достоверность передачи информации, предварительно зафиксированной в документах, и которая  контролируется непосредственно в пунктах ее регистрации. Оперативность (скорость) передачи информации в этом случи  низкая и может удовлетворить лишь очень непритязательного пользователя. Для оперативной доставки информации используют системы автоматизированной передачи информации.

Совокупность средств, служащих для передачи информации, будем называть системой передачи информации (СПИ).

На рисунке 1.1 представлена обобщенная блок-схема автоматизированной системы передачи информации.

Источник и потребитель информации непосредственно в СПИ не входят – они являются абонентами системы передачи. Абонентами могут быть компьютеры, маршрутизаторы ЛВС, базы данных, телефонные аппараты, пейджеры, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди.

Канал телекомуни-каций
 

 

Рисунок  1.1 - Структурная схема  системы передачи информации

В составе структуры СПИ можно выделить:

§         канал передачи (КТ);

§         передатчик информации;

§         приемник информации.

Передатчик служит для преобразования полученного от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу телекоммуникаций, приемник – для обратного преобразования сигнала в сообщение, поступающее абоненту.

В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако, под действием помех, возникающих в канале телекоммуникаций, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть искажено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации.

Основными качественными показателями системы передачи информации являются:

§         пропускная способность;

§         достоверность;

§         надежность работы.

Пропускная способность системы (канала) передачи информации – наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы определяется физическими свойствами канала телекоммуникаций и сигнала. От пропускной способности канала зависит максимально возможная скорость передачи данных по этому каналу.

Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах. Бод – это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду, независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному изменению сигнала в канале телекоммуникаций.

Достоверность передачи информации – передача информации без ее искажения.

Надежность работы – полное и правильное выполнение системой всех своих функций.

 Передатчик и приемник, или иначе – АПД, непосредственно связывают терминальные устройства – оконечные устройства (источник и приемник информации) с каналом телекоммуникаций. Примерами АПД могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т.д. АПД работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду (линию телекоммуникаций).

На сегодняшний день в телекоммуникациях существует пять видов передаваемой информации (сообщений):

  1. Текст;
  2. Звук;
  3. Графика;
  4. Видео;
  5. Данные.

Для каждого типа сообщений имеется определенная полоса пропусканий. В таблице 1.1 приведены требования к полосе пропускания для различных приложений.

 

Таблица 1.1  Требования к полосе пропускания для различных медиа-приложений

 

Приложения

Тип передачи

Формат передачи

Структура передачи

Скорость передачи без сжатия

Скорость передачи со сжатием

Речь и музыка

Телефония

G.711 - G.723.1

8 кбит/с * 8 бит

64 кбит/с

8-32 кбит/с

Телеконференция

 

16 кбит/с * 8 бит

128 кбит/с

48-64 кбит/с

CD-audio

MP-3

44,1 кбит/с * 16 бит

705,6 кбит/с

128 кбит/с

Изображение

Изображение обычного разрешения

SVGA

640 пикс/лин * 480 лин/с *   8 бит/пикс

2,458 Мбит/с

24-245 кбит/с

JPEG

720 пикс/лин * 576 лин/с * 16 бит/пикс

6,636 Мбит/с

104-830 кбит/с

Изображение высокого качества

 

1280 пикс/лин * 1024 лин/с * 24 бит/пикс

31,46 Мбит/с

0,3-3 Мбит/с

Бизнес видео

Видеофон

QSIF (H.261)

176 пикс/лин

144 лин/к * 12     бит/пикс * 30 к/с

9,115 Мбит/с

P * 64 кбит/с (p=1,2)

MPEG-4 (H.320)

176 пикс/лин * 144 лин/к * 12 бит/пикс * 10 к/с

3,04 Мбит/с

64 кбит/с

Видеоконференции

CIF (H.261)

352 пикс/лин * 288 лин/к * 12 бит/пикс * 30 к/с

36,5 Мбит/с

M * 368 кбит/с (m=1,2,3,4,5)

MPEG-1 (PAL)

352 пикс/лин * 288 лин/к * 12 бит/пикс * 25 к/с

30,4 Мбит/с

1,15-3 Мбит/с

MPEG-1 (NTSC)

352 пикс/лин * 288 лин/к * 12 бит/пикс * 30 к/с

30,4 Мбит/с

1,15-3 Мбит/с

Развлекательное видео

VCR

CIF (MPEG-2)

352 пикс/лин * 288 лин/к * 12 бит/пикс * 30 к/с

30,4 Мбит/с

4 Мбит/с

Широковещательное ТВ

MPEG-2 (PAL)

720 пикс/лин * 576 лин/к * 12 бит/пикс * 25 к/с

124,4 Мбит/с

15 Мбит/с

MPEG-2 (NTSC)

720 пикс/лин * 576 лин/к * 12 бит/пикс * 25 к/с

124,4 Мбит/с

15 Мбит/с

ТВ высокого разрешения

HDTV

1920 пикс/лин * 1080 лин/к * 16 бит/пикс * 30 к/с

994.3 Мбит/с

135 Мбит/с

MPEG-3

1920 пикс/лин * 1080 лин/к * 12 бит/пикс * 30 к/с

745.8 Мбит/с

20-40 Мбит/с

 

 

Передача всех 5-ти видов сообщений реализуется посредством различных служб телекоммуникаций. Под службой телекоммуникаций следует понимать организационно-техническую структуру на базе сети (или совокупности сетей) телекоммуникаций, позволяющую пользователям получать от оператора связи определённый набор услуг телекоммуникаций.

Существуют следующие службы телекоммуникаций (рисунок 1.2)

 

Службы документальных телекоммуникаций
 

 

Службы телекоммуникаций
 

 

Рисунок  1.2 - Виды служб телекоммуникаций

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2  Классификация служб

 

Службы

Интерактивные

Распределительные


Диалоговые

Обмена сообщениями

Информационного поиска (по      запросу)

   Без индивидуального управления со  стороны пользователя


   С индивидуальным управлением со стороны пользователя

 

 

Согласно Рекомендациям МСТ I.211 и  в зависимости от способов связи между терминальным оборудованием и в соответствии с возможными приложениями, все службы делятся на интерактивные и распределительные, каждая из которых, в свою очередь, включает несколько классов служб (таблица 1.2)

Характеристики диалоговых служб представлены в таблице 1.3

 

Таблица 1.3  Диалоговые службы

 

Тип информации

Примеры служб

Применение

  Движущееся изображение и  звук

  Видеотелефония

  Передача на расстояние между двумя абонентами голоса (звука), движущегося изображения, а также неподвижных изображений (рисунков) и документов

   Широкополосная  видеоконференцсвязь

  Передача на расстояние между группой абонентов голоса (звука), движущегося изображения, а также видеосканирования неподвижных изображений и документов.
Обучение.
Деловые конференции.
Реклама

  Видеонаблюдение

  Охрана зданий и помещений.
  Контроль движения

  Службы передачи видео и   аудио информации

Передача ТВ сигналов.
Видео/аудио диалог.
Обеспечение обмена  информацией

  Звук

  Многопрограммная передача   звука

  Синхронный перевод.
  Многопрограммная передача

  Данные

   Высокоскоростная передача  цифровой информации

Высокоскоростная ПД между:
- ЛВС;
- городскими ВС;
- ЭВМ.
Передача видеоинформации.
Перенос других видов  информации.
Перенос неподвижных изображений.
Организация распределительных вычислений

   Высокоскоростные  телесигнализация и телеконтроль

  Контроль в реальном масштабе времени.
Телеметрия.
Система тревог

  Документы

  Высокоскоростной телефакс

  Обмен между абонентами текстовыми и графическими документами, рисунками, чертежами и т. д.

  Обмен высококачественными изображениями

  Профессиональные рисунки.
Рентгеновские снимки и другие медицинские снимки.
Игры

  Обмен документами

  Обмен различными документами между пользователями

 

 

Диалоговые службы, как правило, предоставляют услуги для передачи информации практически в реальном масштабе времени между пользователями или пользователем ЭВМ. При этом поток информации может направляться в обе стороны, быть симметричным или несимметричным. В качестве примеров диалоговых служб можно назвать телефонную службу, службу речевой и видеоконференцсвязи, службу ПД. Характеристики служб обмена сообщениями (с накоплением) приведены в таблице 1.4.

 

Таблица 1.4  Службы обмена сообщениями (с накоплением)

 

Тип информации

Примеры широкополосных служб

Возможные применения

   Движущиеся изображения (видео) и звук

  Почтовый ящик для видео (почта видео)

   Электронный почтовый ящик для доставки движущихся изображений со звуковым сопровождением

  Документы

Почтовый ящик для документов

   Электронный почтовый ящик для различных документов

 

Службы обмена сообщениями (с накоплением) предназначены для непрямой связи между пользователями с помощью промежуточного хранения сообщений. Промежуточное хранение может производиться в центральных устройствах, которые автоматически направляют в сторону приемника сообщения в соответствии с заданными пользователем условиями (например, во время действия благоприятных тарифов). Сообщения также могут храниться в электронных почтовых ящиках, или в системах «обработки сообщений» с использованием функций редактирования, обработки и переработки. Примерами являются службы с накоплением и функциями обработки сообщений или электронные почтовые ящики для речи, текста, данных, чертежей, рисунков и т. п.

Характеристики служб информационного поиска (по запросу) даны в таблице 1.5.

 

Таблица 1.5   Службы информационного поиска (по запросу)

 

Тип информации

Примеры широкополосных служб

Возможные применения

   Текст, данные, графика, звук, подвижные и неподвижные изображения

   Широкополосный видеотекс

  Видеотекс, движущиеся изображения.
Обучение, воспитание, тренаж.
Реклама.
Служба новостей

   Видео по запросу

  Служба развлечений.
  Обучение и тренаж

   Высококачественное изображение по запросу

  Служба развлечений.
Обучение и тренаж.
Передача профессиональных изображений (рисунков), рентгеновских и других медицинских снимков

   Документы по запросу

  Получение по запросу из информационных центров, архивов и т. п. различных документов

   Данные по запросу

 Получение по запросу различного рода программных продуктов

 

 

 

 

 

Службы информационного поиска (службы по запросу) дают возможность пользователю получать информацию из различных банков данных.

 

Повышение деловой активности, особенно в сферах коммерческой и финансовой деятельности, насыщенность рынка средствами вычислительной и оргтехники стимулировали развитие спроса на услуги ПД. Процессы демонополизации и развития различных форм собственности, открытость рынка услуг связи и рост спроса на услуги ПД вызвали интенсивное развитие сетей и служб ПД.

Современные прогнозы указывают на тенденцию превращения всех сетей телекоммуникаций в сети передачи данных, по которым будут передаваться любые виды информации (включая речь и видео), преобразованные в цифровые сигналы (передача данных в широком смысле).

Cетью передачи данных (сетью данных) называется совокупность узлов и каналов телекоммуникаций, специально созданная для организации связей между определенными точками с целью обеспечения передачи данных между ними.

Службой ПД называется служба телекоммуникаций, предоставляющая услуги передачи данных на базе одной или нескольких сетей передачи данных и (или) одной или нескольких других сетей телекоммуникаций.

Сети ПД не включают в себя  ООД. Соответственно службы ПД не включают в себя функции ООД. Службы ПД образуют один из классов служб переноса, то есть служб телекоммуникаций, охватывающих функции сети телекоммуникаций, но не охватывающих функций абонентских терминалов (ООД).

К современным службам ПД общего пользования, которые обеспечиваются специализированными СПД, относятся:

- службы ПД с коммутацией пакетов по протоколу Х.25;

- службы ПД с ретрансляцией кадров (Frame Relay) по протоколу Х.36;

- службы ПД с коммутацией пакетов по протоколам семейства Internet Protocol (IP-протоколов версии 4 и версии 6);

- службы ПД с некоммутируемыми цифровыми каналами.

Обеспечиваются следующие услуги служб ПД:

- услуги служб передачи данных общего пользования с коммутацией пакетов (ПД–ОП с КП)  по протоколу Х.25. Служба ПД–ОП с КП по протоколу Х.25 может иметь одновременно две услуги:

     а) услугу виртуальных соединений (ВС);

                 б) услугу постоянных виртуальных каналов  (ПВК);

- услуги служб передачи данных общего пользования (ПД–ОП) с ретрансляцией кадров (Frame Relay) по протоколу Х.36. Служба ПД–ОП с ретрансляцией кадров (Frame Relay) может иметь одновременно две услуги:

     а) услугу постоянных виртуальных каналов (ПВК);

     б) услугу коммутируемых виртуальных каналов (КВК);

- услуги служб передачи данных общего пользования с коммутацией пакетов (ПД–ОП с КП) по IP-протоколам. Служба ПД–ОП с КП по IP-протоколам является службой без установления виртуальных соединений (службой дейтаграмм);

- услуги служб ПД с некоммутируемыми цифровыми каналами.

 

1.2.  Передачи данных и их характеристики сети

 

СПД характеризуются большим разнообразием предъявляемых к ним требований: требований экономичности, топологии (структурным параметрам с учетом развития сети),  вероятностно-временных характеристик процесса доставки (достоверности и скорости передачи, гарантированного времени и вероятности установления и поддержания соединения), живучести, надежности, информационной безопасности, управления сетью, технического обслуживания и ремонта.

Общеизвестно, что традиционное развитие СПД происходит по следующим стадиям:

- долгосрочное прогнозирование;

- краткосрочное прогнозирование;

- программа развития;

- план развития или генеральная схема;

- проектирование СПД в ходе научно-исследовательской работы;

- опытно-конструкторская работа (ОКР) на разработку новой техники;

- проектирование строительства новой или развития существующей СПД;

- проектирование отдельных объектов СПД.

При этом основные характеристики СПД включают:

- размер сети (количество узлов, количество пользователей);

- топология распространения узлов СПД по регионам;

- используемая сетевая технология и протоколы передачи данных;

- базовое сетевое оборудование;

- действующие в СПД службы и состав предоставляемых пользователям СПД услуг;

- система управления и администрирования сети;

 средства обеспечения информационной безопасности и защиты информации от несанкционированного доступа (НСД).

Используемые для передачи данных сети телекоммуникаций разделяются на следующие две группы:

- специализированные коммутируемые и некоммутируемые СПД, созданные специально для передачи данных;

- неспециализированные для передачи данных коммутируемые сети телекоммуникаций и некоммутируемые каналы.

Современные СПД отличаются по принципам коммутации. По терминологии МСТ-Т СПД  подразделяются на СПД с коммутацией каналов, коммутацией пакетов, ретрансляцией кадров, коммутацией ячеек, а также с некоммутируемыми (арендованными) каналами.

Технологической основой служб ПД на современном этапе являются:

- СПД общего пользования (ОП) с КП по протоколу Х.25;

- СПД ОП с ретрансляцией кадров по протоколу Х.36;

- СПД ОП с коммутацией ячеек, построенные на базе технологии АТМ;

- СПД ОП с коммутацией пакетов по IP-протоколу.

СПД классифицируются по наиболее характерным функциональным, информационным и структурным признакам, охватывающим все основные особенности рассматриваемых сетей. К таким признакам относятся:

§         категория принадлежности пользователей (абонентов) сети;

§         способ организации;

§         способ коммутации;

§         тип каналов передачи данных;

§         размер сети;

§         скорость передачи информации в сети;

§         структура сети;

§         способ управления.

По категории принадлежности пользователей (абонентов) сети ПД подразделяются на:

·         ведомственные СПД;

·         сети передачи данных общего пользования (далее – СПД ОП).

СПД ОП предназначены для обслуживания широкого круга пользователей, населения, предприятий и учреждений различных ведомств. Ведомственные СПД предназначены для обслуживания строго ограниченного круга пользователей. Такие сети создаются министерствами, ведомствами, организациями или предприятиями.

По способам организации различают сети:

·         специализированные;

·         неспециализированные.

Специализированные сети создаются на базе средств (узлов коммутации, в некоторых случаях каналов), специально предназначенных для организации данной сети. Неспециализированные сети для своего построения обычно используют узлы коммутации и каналы, входящие в состав какой-либо другой сети.

По способу коммутации СПД подразделяются на:

·         сети с долговременной коммутацией;

·         сети с оперативной коммутацией;

·         сети с коммутацией каналов;

·         сети с коммутацией сообщений;

·         сети с коммутацией пакетов;

·         сети с гибридной коммутацией.

Долговременной или кроссовой коммутацией называется такой способ коммутации, при котором между двумя точками сети устанавливается постоянное прямое соединение, длительность которого может измеряться часами, сутками или большим интервалом времени. Каналы, участвующие в организации таких соединений, называются выделенными.

Оперативной коммутацией называется такой способ коммутации, при котором между двумя точками сети организуется временное соединение.

Коммутацией каналов называется способ коммутации, при котором обеспечивается временное прямое соединение каналов СПД между любой парой оконечных пунктов этой сети.

Коммутацией сообщений называется способ коммутации, при котором в каждом узле коммутации производятся прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом получателя.

Коммутацией пакетов называется способ коммутации, при котором сообщение делится на части определенного формата - пакеты, которые принимаются, буферизируются и передаются через сеть. Если все пакеты одного сообщения передаются по фиксированному маршруту, то такой режим коммутации называется виртуальным. Если же передача каждого пакета может производиться по самостоятельному маршруту, такой режим коммутации называется датаграммным (дейтаграммным).

Гибридной коммутацией называется способ, при котором в одном и том же узле коммутации производится коммутация, используя два и более вышеописанных видов коммутации.

По типу каналов передачи данных различают сети:

·         симплексные (информация передается только в одном направлении);

·         полудуплексные (информация передается попеременно в противоположных направлениях);

·         дуплексные (информация передается одновременно в противоположных направлениях).

По размеру сетей передачи данных различают:

·         локальные сети;

·         глобальные сети.

Глобальные сети (международные, национальные, региональные, корпоративные) - охватывающие значительные территории, к которым относятся сети общего пользования, а также ведомственные сети крупных министерств и ведомств, предприятий.

Локальные сети  - сети,  расположенные на ограниченной площади (в пределах одного здания, предприятия, учреждения) и занимающие площадь не более нескольких квадратных километров.

По скорости передачи информации в сети СПД подразделяются на:

·         низкоскоростные - скорость передачи информации в сети до 64 кбит/с;

·         среднескоростные - скорость передачи информации в сети от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/с;

·         высокоскоростные - со скоростью передачи информации в сети от 2,048 Мбит/с и выше.

По структуре СПД подразделяются на:

·         иерархические сети;

·         неиерархические сети.

Глобальные сети имеют иерархическую структуру, в которой выделяются несколько ступеней иерархии, часто имеющие собственное название.

Неиерархические структуры используются чаще всего при создании локальных сетей и имеют обычно одну ступень иерархии.

По способу управления сетью:

·         сети с централизованным управлением;

·         сети с децентрализованным управлением;

·         сети со смешанным управлением.

Функциями системы управления сетью являются: административное управление, техническая эксплуатация, контроль потоков информации и их оптимальное распределение в сети и так далее. В зависимости от задач, решаемых сетью передачи данных, требований, предъявляемых к сети, и условий ее функционирования система управления может быть построена по централизованному или децентрализованному принципу. Централизованный принцип предполагает наличие единого для всей сети центра управления.

В сети с децентрализованным управлением система управления имеет распределенную структуру, включающую центры управления, распределенные по всем уровням СПД. При смешанном управлении в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления.

К СПД, как и ко всем другим сетям телекоммуникаций, предъявляются требования по надежности, живучести, экономичности и способности к дальнейшему развитию.

Требование к надежности означает, что сеть должна обеспечивать длительное функционирование с поддержанием всех оговариваемых характеристик в заданных пределах.

Требование к живучести означает, что сеть должна сохранять возможность функционирования с поддержанием всех оговариваемых характеристик в заданных пределах при наличии определенного числа внешних и (или) внутренних повреждений.

Экономичность сети предполагает оптимизацию расходов на ее создание и эксплуатацию при условии обеспечения сетью требований в полном объеме.

Требование возможности дальнейшего развития обусловлено постоянным увеличением загрузки сети, причем во многих случаях загрузку сети невозможно точно определить, пока сеть не начнет функционировать.

Сетевые конфигурации должны отличаться простотой реализации и быть изначально эффективными. Эти конфигурации должны, с одной стороны, быть ориентированы на будущее, а с другой - быть достаточно подготовленными для последующей модернизации при появлении новых возможностей передачи данных.

В общем виде СПД должна в возможно большей степени удовлетворять следующим требованиям:

 

1.3. Методы коммутации каналов, сообщений и пакетов

 

 

В общем случае решение каждой из частных задач коммутации – определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи – зависит от решения остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в своей совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов телекоммуникаций заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

Внешне обе эти схемы соответствуют приведенной на рисунке 1.5 структуре сети, однако возможности и свойства их различны.

 

 

Рисунок 1.5 - Общая структура сети с коммутацией абонентов

 

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии с коммутацией пакетов, как более гибкой и универсальной.

Коммутация каналов. Сеть в случае коммутации каналов образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждой из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рисунке 1.5, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Далее коммутатор Е передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными, например, вести телефонный разговор.

Техника коммутации каналов имеет свои достоинства и недостатки. Основные достоинства перечислены ниже.

1               Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это позволяет пользователю сети на основе заранее произведенной оценки требуемой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.

2        Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) – голос, видео, различную технологическую информацию.

    К недостаткам сетей с коммутацией каналов относятся следующие.

1                    Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль некоторого физического канала, через который уже проходит максимальное для данной техники мультиплексирования и для данного канала количество информационных потоков. Например, если между двумя телефонными станциями имеется физический канал, который допускает прохождение через него не более 30 соединений абонентов, и нужно установить через этот канал еще одно соединение, то произойдет отказ в обслуживании. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала, например, если абонент может поддерживать только одно соединение, что характерно для многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова уже разговаривающему абоненту сеть в этом случае передает вызывающему абоненту короткие гудки – сигнал «занято».

2 Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. После установления соединения часть пропускной способности отводится составному каналу на все время соединения, то есть до тех пор, когда соединение не будет разорвано по инициативе абонентов или самой сети. В то же время во многих случаях абонентам не нужна пропускная способность канала на все время соединения, например, в телефонном разговоре встречаются паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности физического канала является принципиальным ограничением сети с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом. Модификация методов коммутации для снятия этого ограничения приводит к технике коммутации пакетов.

3 Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Достоинства и недостатки любой сетевой технологии – относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров, а с невозможностью «вырезать» паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. Однако, при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план.

Коммутация пакетов. Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рисунок 1.6). Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге — узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рисунок 1.7). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек  передавались бы от одного абонента другому.

 

 

Рисунок 1.6 - Разбиение сообщения на пакеты

 

 

 

 

 

Рисунок  1.7 - Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов

 

 

Простои  канала  во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают, поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рисунке 1.7 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа — он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов телекоммуникаций) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

- время на передачу заголовков;

- задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

- время буферизации пакета;

- время коммутации, которое складывается из:

   а) времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

   б) времени перемещения пакета в выходной порт.

 

Ниже перечислены достоинства сетей с коммутацией пакетов.

1 Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

2 Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

К недостаткам сетей с коммутацией пакетов относятся следующие.

      1 Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

2 Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

3 Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. В этой связи методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

Коммутация сообщений. Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача  единого  блока   данных  между  транзитными  компьютерами  сети  с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рисунок 1.8).

 

 

 

 

Рисунок  1.8 - Коммутация сообщений

 

Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом хранения и передачи (store-and-forward).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать его серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диске занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку – на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы – передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т.п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной (permanent) коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated), или арендуемых (leased), каналов. В том случае, когда постоянное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его часто называют полупостоянным (semi-permanent) соединением, в отличие от режима ручного конфигурирования каждого коммутатора.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети Х.25 и АТМ могут предоставлять пользователю возможность динамически связываться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению одному вполне определенному абоненту.

Постепенно различия между локальными и глобальными типами сетевых технологий стали сглаживаться. Изолированные ранее локальные сети начали объединять друг с другом, при этом в качестве связующей среды использовались глобальные сети. Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий.

Высокое качество цифровых каналов изменило требования к протоколам глобальных компьютерных сетей. На первый план вместо процедур обеспечения надежности вышли процедуры обеспечения гарантированной средней скорости доставки информации пользователям, а также механизмы приоритетной обработки пакетов особенно чувствительного к задержкам трафика, например голосового. Эти изменения нашли отражение в новых технологиях глобальных сетей, таких как Frame Relay и ATM. В этих сетях предполагается, что искажение битов происходит настолько редко, что ошибочный пакет выгоднее просто уничтожить, а все проблемы, связанные с его потерей, перепоручить программному обеспечению более высокого уровня, которое непосредственно не входит в состав сетей Frame Relay и ATM.

Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IP. Этот протокол сегодня используется поверх любых технологий локальных и глобальных сетей – Ethernet, Token Ring, ATM, Frame Relay – для создания из различных подсетей единой составной сети.

Одним из проявлений сближения локальных и глобальных сетей является появление сетей масштаба большого города, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Городские сети, или сети мегалополисов (Metropolitan Area Networks, MAN), предназначены для обслуживания территории крупного города. Эти сети используют цифровые линии телекоммуникаций, часто оптоволоконные, со скоростями на магистрали от 155 Мбит/с и выше. Они обеспечивают экономичное соединение локальных сетей между собой, а также выход в глобальные сети.

Сегодня пакетные методы коммутации постепенно теснят традиционные для телефонных сетей методы коммутации каналов даже при передаче голоса. У этой тенденции есть достаточно очевидная причина – на основе метода коммутации пакетов можно более эффективно использовать пропускную способность каналов телекоммуникаций и коммутационного оборудования.

Использование коммутации пакетов для одновременной передачи через пакетные сети разнородного трафика – голоса, видео и текста – сделало актуальным разработку новых методов обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Методы QoS призваны минимизировать уровень задержек для чувствительного к ним трафика, например, голосового, и одновременно гарантировать среднюю скорость и динамичную передачу пульсаций для трафика данных. Поставленная задача осложняется тем, что изначально метод коммутации пакетов был рассчитан на слабо чувствительный к задержкам трафик, которому не очень мешали случайные задержки, возникающие при временном размещении пакетов в буфере промежуточного устройства сети. Тем не менее методы поддержки QoS сети в пакетных сетях вообще и IP-сетях, в частности, уже существуют, причем они сохраняют сравнительно невысокую стоимость инфраструктуры сетевых магистралей.

В IP-сетях сегодня начали активно применять технологию виртуальных каналов в форме многопротокольной коммутации меток MPLS.

 

 

2. ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ

 

2.1. Коммутация пакетов с использованием дейтаграммного метода

 

 

Дейтаграммный метод эффективен для передачи коротких сообщений. Он не требует громоздкой процедуры установления соединения между абонентами. Этот способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Выбор следующего узла – например, коммутатора Ethernet или маршрутизатора IP/IPX – происходит только на основании адреса узла назначения, содержащегося в заголовке пакета. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, никак не учитывается.

Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий (транзитный или конечный) узел. Такие таблицы имеют разные названия – например, для сетей Ethernet они обычно называются таблицей продвижения (forwarding table), а для сетевых протоколов, таких как IP и IPX, - таблицей маршрутизации (routing table). Далее для простоты будем пользоваться термином «таблица маршрутизации» в качестве обобщенного названия таблиц такого рода, используемых для дейтаграммной передачи на основании только адреса назначения конечного узла.

В таблице маршрутизации для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих соответственно на различные адреса следующего маршрутизатора. Такой подход используется для повышения производительности и надежности сети.

В примере, показанном на рисунок 2.1, пакеты, поступающие в маршрутизатор R1 для узла назначения с адресом N2, A2 в целях баланса нагрузки, распределяются между двумя следующими маршрутизаторами – R2 и R3, что снижает нагрузку на каждый из них, а значит, уменьшает очереди и ускоряет доставку.

Некоторая «размытость» путей следования пакетов с одним и  тем же адресом назначения через сеть является прямым следствием принципа независимой обработки каждого пакета, присущего дейтаграммным протоколам. Пакеты, следующие по одному и тому же адресу назначения, могут добираться до него разными путями и вследствие изменения состояния сети, например отказа промежуточных маршрутизаторов.

Такая особенность дейтаграммного механизма, как размытость путей следования трафика через сеть, также в некоторых случаях является недостатком, например, если пакетам определенного сеанса между двумя конечными узлами сети необходимо обеспечить заданное качество обслуживания. Современные методы поддержки QoS работают эффективней, когда трафик, которому нужно обеспечить гарантии обслуживания, всегда проходит через одни и те же промежуточные узлы.

Дейтаграммный режим объединяет в себе сетевой и транспортный уровни, поэтому протокол передачи сети Internet называется протоколом TCP/IP, где протокол ТСР – протокол четвертого транспортного уровня, а IP – сетевой протокол. Дейтаграммный режим используется, в частности, в Internet в протоколах UDP (User Datagram Protocol) и TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

 

 

 

Рисунок  2.1 - Дейтаграммный принцип передачи пакетов

 

 

2.2. Коммутация пакетов с использованием метода виртуальных   каналов

 

Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.

Если целью является прокладка для всех пакетов потока единого пути через сеть, то необходимым (но не всегда единственным) признаком такого потока должно быть наличие для всех его пакетов общих точек входа в сеть и выхода из сети. Именно для передачи таких потоков в сети создаются виртуальные каналы. На рисунке 2.2 показан фрагмент сети, в которой проложены два виртуальных канала. Первый проходит от конечного узла с адресом N1, A1 до конечного узла с адресом N2, A2 через промежуточные коммутаторы сети R1, R3 и R4. Второй обеспечивает продвижение данных по пути N3, A3 – R5 – R7 – R4 – N2, A2. Между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных каналов, как полностью совпадающих в отношении пути следования через транзитные узлы, так и отличающихся.

 

 

 

Рисунок  2.2 -  Принцип работы виртуального канала

 

 

Сеть только обеспечивает возможность передачи трафика вдоль виртуального канала, решение же о том, какие именно потоки будут передаваться по этим каналам, принимают сами конечные узлы. Узел может использовать один и тот же виртуальный канал для передачи всех потоков, которые имеют общие с данным виртуальным каналом конечные точки, или же только части из них. Например, для потока реального времени можно использовать один виртуальный канал, а для трафика электронной почты - другой. В последнем случае разные виртуальные каналы будут предъявлять разные требования к качеству обслуживания, и удовлетворить их потенциально будет проще, чем в том случае, когда по одному виртуальному каналу передается трафик с разными требованиями к параметрам QoS.

Важной особенностью сетей с виртуальными каналами является использование локальных адресов пакетов при принятии решения о продвижении. Вместо достаточно длинного адреса узла назначения (его длина должна позволять уникально идентифицировать все узлы и подсети в сети, так, технология ATM, например, оперирует с адресами длиной в 20 байт) применяется локальная, то есть меняющаяся от узла к узлу метка, которой помечаются все пакеты, перемещаемые по определенному виртуальному каналу. Эта метка в различных технологиях называется по-разному: номер логического канала (Logical Channel number, LCN) в технологиях Х.25, идентификатор соединения уровня канала данных (Data Link Connection Identifier, DLCI) в технологии Frame Relay, идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI) в технологии АТМ. Однако назначение ее везде одинаково – промежуточный узел, называемый в этих технологиях коммутатором, читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, в которой указывается, на какой выходной порт нужно передать пришедший пакет. Таблица коммутации содержит записи только о проходящих через данный коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех имеющихся в сети узлах (или подсетях, если применяется иерархический способ адресации). Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше количества узлов и подсетей, поэтому размер таблицы коммутации намного меньше размера таблицы маршрутизации, а, следовательно, просмотр ее занимает гораздо меньше времени и не требует от коммутатора большой вычислительной мощности.

Идентификатор виртуального канала (метка) также намного короче адреса конечного узла – по той же причине, – поэтому и избыточность заголовка пакета, который теперь не содержит длинного адреса, а переносит по сети только идентификатор, существенно меньше.

 

2.3. Принципы коммутации в технологиях передачи данных X.25, Frame Relay, ATM, IP и MPLS

 

2.3.1. Технология Х.25

Х.25 определяет характеристики телефонной сети для передачи данных. Чтобы начать связь, один компьютер обращается к другому с запросом о сеансе связи. Вызванный компьютер может принять или отклонить связь. Если вызов принят, то обе системы могут начать передачу информации с полным дублированием. Любая сторона может в любой момент прекратить связь.

Спецификация Х.25 определяет двухточечное взаимодействие между терминальным оборудованием (DTE) и оборудованием завершения действия информационной цепи (DCE). Устройства DTE (терминалы и главные вычислительные машины в аппаратуре пользователя) подключаются к устройствам DCE (модемы, коммутаторы пакетов и другие порты в сеть PDN, обычно расположенные в аппаратуре этой сети), которые соединяются с "коммутаторами переключения пакетов" (packet switching exchange, PSE или просто switches) и другими DCE внутри PSN и, наконец, к другому устройству DTE. Взаимоотношения между объектами сети Х.25 показаны на рисунке 2.3

DTE может быть терминалом, который не полностью реализует все функциональные возможности Х.25. Такие DTE подключаются к DCE через трансляционное устройство, называемое пакетный ассемблер/дизассемблер  (packet assembler/disassembler,  PAD). Действие интерфейса терминал/PAD, услуги, предлагаемые PAD и взаимодействие между PAD и главной вычислительной машиной определены соответственно в рекомендациях МСТ X.28, X3 и Х.29.

 

 

 

Рисунок  2.3 - Модель X.25

 

Спецификация Х.25 представляет схему уровней 1-3 эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС – OSI). Уровень 3 Х.25 описывает форматы пакетов и процедуры обмена пакетами между равноправными объектами Уровня 3. Уровень 2 Х.25 реализован Протоколом Link Access Procedure Balanced (LAPB). LAPB определяет кадры пакетов для звена DTE/DCE. Уровень 1 Х.25 определяет электрические и механические процедуры активации и дезактивации физической среды, соединяющей данные DTE и DCE. Это взаимоотношение представлено на рисунке 2.4. Необходимо отметить, что на Уровни 2 и 3 также ссылаются как на стандарты Международного института (ISO) - ISO 7776 (LAPB) и ISO 8208 (пакетный уровень Х.25).

Сквозная передача между устройствами DTE выполняется через двунаправленную связь, называемую виртуальной цепью. Виртуальные цепи позволяют осуществлять связь между различными элементами сети через любое число промежуточных узлов без назначения частей физической среды, что является характерным для физических цепей. Виртуальные цепи могут быть либо перманентными, либо коммутируемыми (временно). Перманентные виртуальные цепи обычно называют PVC; переключаемые виртуальные цепи - SVC. PVC обычно применяются для наиболее часто используемых передач данных, в то время как SVC применяются для спорадических передач данных. Уровень 3 Х.25 отвечает за сквозную передачу, включающую как PVC, так и SVC.

 

 

 

 

Рисунок 2.4 - X.25 и эталонная модель OSI

 

 

После того, как виртуальная цепь организована, DTE отсылает пакет на другой конец связи путем отправки его в DCE, используя соответствующую виртуальную цепь. DCE просматривает номер виртуальной цепи для определения маршрута этого пакета через сеть Х.25. Протокол Уровня 3 Х.25 осуществляет мультиплексную передачу между всеми DTE, которые обслуживает устройство DCE, расположенное в сети со стороны пункта назначения, в результате чего пакет доставлен к DTE пункта назначения.

 

2.3.2. Технология Frame Relay

Frame Relay обеспечивает возможность передачи данных с коммутацией пакетов через интерфейс между устройствами пользователя (например, маршрутизаторами, мостами, главными вычислительными машинами) и оборудованием сети (например, переключающими узлами). Устройства пользователя часто называют терминальным оборудованием (DTE), в то время как сетевое оборудование, которое обеспечивает согласование с DTE, часто называют устройством завершения работы информационной цепи (DCE). Сеть, обеспечивающая интерфейс Frame Relay, может быть либо сеть передачи данных общего пользования и использованием несущей, либо сеть с оборудованием, находящимся в частном владении, которая обслуживает отдельное предприятие.

В роли сетевого интерфейса, Frame Relay является таким же типом протокола, что и Х.25. Однако, Frame Relay значительно отличается от Х.25 по своим функциональным возможностям и по формату. В частности, Frame Relay является протоколом для линий с большим потоком информации, обеспечивая более высокую производительность и эффективность.

В роли интерфейса между оборудованием пользователя и сети, Frame Relay обеспечивает средства для мультиплексирования большого числа логических информационных диалогов (называемых виртуальными цепями) через один физический канал передачи, которое выполняется с помощью статистики. Это отличает его от систем, использующих только технику временного мультиплексирования (TDM) для поддержания множества информационных потоков. Статистическое мультиплексирование Frame Relay обеспечивает более гибкое и эффективное использование доступной полосы пропускания. Оно может использоваться без применения техники TDM или как дополнительное средство для каналов, уже снабженных системами TDM.

Другой важной характеристикой Frame Relay является то, что она использует новейшие достижения технологии передачи глобальных сетей. Более ранние протоколы WAN, такие как Х.25, были разработаны в то время, когда преобладали аналоговые системы передачи данных и медные носители. Эти каналы передачи данных значительно менее надежны, чем доступные сегодня каналы с волоконно-оптическим носителем и цифровой передачей данных. В таких каналах передачи данных протоколы канального уровня могут предшествовать требующим значительных временных затрат алгоритмам исправления ошибок, оставляя это для выполнения на более высоких уровнях протокола. Следовательно, возможны большие производительность и эффективность без ущерба для целостности информации. Именно эта цель преследовалась при разработке Frame Relay. Он включает в себя алгоритм проверки при помощи циклического избыточного кода (CRC) для обнаружения испорченных битов (из-за чего данные могут быть отвергнуты), но в нем отсутствуют какие-либо механизмы для корректирования испорченных данных средствами протокола (например, путем повторной их передачи на данном уровне протокола).

Другим различием между Frame Relay и Х.25 является отсутствие явно выраженного управления потоком для каждой виртуальной цепи. В настоящее время, когда большинство протоколов высших уровней эффективно выполняют свои собственные алгоритмы управления потоком, необходимость в этой функциональной возможности на канальном уровне уменьшилась. Таким образом, Frame Relay не включает явно выраженных процедур управления потоком, которые являются избыточными для этих процедур в высших уровнях. Вместо этого предусмотрены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, позволяющие информировать какое-либо устройство пользователя о том, что ресурсы сети находятся близко к состоянию перегрузки. Такое уведомление может предупредить протоколы высших уровней о том, что может понадобиться управление потоком.

Стандарты Current Frame Relay адресованы перманентным виртуальным цепям (PVC), определение конфигурации которых и управление осуществляется административным путем в сети Frame Relay. Был также предложен и другой тип виртуальных цепей - коммутируемые виртуальные цепи (SVC). Протокол ISDN предложен в качестве средства сообщения между DTE и DCE для динамичной организации, завершения и управления цепями SVC.

 

2.3.3. Технология ATM

Подход, реализованный в технологии ATM состоит в представлении потока данных от каждого канала любой природы - компьютерного, телефонного или видеоканала пакетами фиксированной и очень маленькой длины - 53 байта вместе с небольшим заголовком в 5 байт. Пакеты ATM называются ячейками (cell). Небольшая длина пакетов позволяет сократить время на их передачу и тем самым обеспечить небольшие задержки при передаче пакетов, требующих постоянного темпа передачи, характерного для мультимедийной информации. При приоритетном обслуживании мультимедийного трафика коммутаторами сети, его пакеты будут вынуждены даже при дисциплине относительных приоритетов ожидать в худшем случае в течение небольшого и фиксированного времени - времени передачи пакета из 53 байт, что при скорости в 155 Мб/с составит менее 3 мкс.

Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не был большим по сравнению с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием - эти сети всегда работают по протоколу с установлением соединения и адреса конечных узлов используются только на этапе установления соединения. При установлении соединения ему присваивается текущий номер соединения и в дальнейших передачах пакетов в рамках этого соединения (то есть до момента разрыва связи) в служебных полях пакета используется не адрес узла назначения, а номер соединения, который намного короче. Размер пакета ATM является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками - первые настаивали на пакете в 32 байта, а последние - на пакетах в 64 байта. В результате в пакете имеется небольшой заголовок в 5 байт, из которых 3 байта отводятся под номер виртуального соединения, уникального в пределах всей сети ATM, а остальные 48 байтов могут содержать 6 замеров оцифрованного голоса или 6 байтов данных вычислительной сети.

Небольшие пакеты фиксированной длины позволяют гарантировать небольшие задержки при передаче синхронного трафика. Ясно, что при отказе от жестко фиксированных временных слотов для каждого канала идеальной синхронности добиться будет невозможно. Однако, если пакеты разных видов трафика будут обслуживаться с разными приоритетами, то максимальное время ожидания приоритетного пакета будет равно времени обработки одного пакета, и если эти пакеты небольшого размера, то и отклонение от синхронизма будет небольшое. Введение типов трафика и приоритетное обслуживание являются еще одной особенностью технологии ATM, которая позволяет ей успешно совмещать в одном канале синхронные и асинхронные пакеты. Приоритеты существуют и в других технологиях, например, в FDDI или 100VG-AnyLAN, однако наличие в них пакетов больших размеров (в 4096 байт и больше) не позволяют им с высокой степенью вероятности выдерживать требования синхронизма для высокоприоритетных пакетов.

В сетях ATM соединение конечного узла с сетью осуществляется индивидуальной линией связи, а коммутаторы соединяются между собой каналами с уплотнением, которые передают пакеты всех узлов, подключенных к соответствующим коммутаторам (рисунок 2.5).

 

 

 

Рисунок  2.5 - Структура сети АТМ

 

Сеть ATM имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети - конечные станции соединяются с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации трафика в сети коммутаторов.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байтных адресов конечных станций. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных. Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов и т.п. Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами.

Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface). UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM и способы управления трафиком. В настоящее время принята версия UNI 3.1.

 

 

2.3.4. Технология IP

Протокол Internet выполняет две главные функции: адресацию и фрагментацию.

Модули Internet используют адреса, помещенные в заголовок Internet, для передачи Internet-дейтаграмм их получателям. Выбор пути передачи называется маршрутизацией.

Модули Internet используют поля в заголовке Internet для фрагментации и восстановления дейтаграмм Internet, когда это необходимо для их передачи через сети с малым размером пакетов.

Сценарий действия состоит в том, что модуль Internet меняет размер на каждом из хостов, задействованных в internet-коммуникации и на каждом из шлюзов, обеспечивающих взаимодействие между сетями. Эти модули придерживаются общих правил для интерпретации полей адресов, для фрагментации и сборки Internet-дейтаграмм. Кроме этого, данные модули (и особенно шлюзы) имеют процедуры для принятия решений о маршрутизации, а также другие функции.

Протокол Internet обрабатывает каждую Internet-дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами Internet. Протокол не имеет дело ни с соединениями, ни с логическими цепочками (виртуальными или какими-либо другими).

Функция  протокола Internet состоит в передаче дейтаграммы через набор объединенных компьютерных сетей. Это осуществляется посредством передачи дейтаграмм от одного модуля Internet к другому до тех пор, пока не будет достигнут получатель. Модули Internet находятся на хостах и шлюзах системы Internet. Дейтаграммы направляются с одного модуля Internet на другой через конкретные компьютерные сети, основанные на интерпретации Internet-адресов. Таким образом, одним из важных механизмов протокола Internet является Internet-адрес.

При передаче сообщений с одного Internet-модуля на другой дейтаграммы могут нуждаться в прохождении через сети, для которых максимальный размер пакета меньше, чем размер дейтаграммы. Чтобы преодолеть эту сложность, в протокол Internet включен механизм фрагментации.

В протоколе сделано разграничение между именами, адресами и маршрутами. Имя показывает искомый нами объект. Адрес показывает его местонахождение. Internet имеет дело с адресами. Перевод имен в адреса является задачей протоколов более высокого уровня (прикладных программ или протоколов передачи синхронизации с хоста на хост). Собственно модуль Internet осуществляет отображение адресов Internet на адреса локальной сети. Создание карты адресов локальной сети для получения маршрутов - задача процедур более низкого уровня (процедур локальной сети или шлюзов).

Адреса имеют фиксированную длину четыре октета (32 бита). Адрес начинается с сетевого номера, за которым следует локальный адрес (называемый полем остатка "rest"). Существуют три формата или класса адресов Internet. В классе A самый старший бит нулевой. Следующие 7 бит определяют сеть, а последние 24 бита - локальный адрес. В классе B самые старшие два бита равны соответственно 1 и 0, следующие 14 бит определяют сеть, а последние 16 бит - локальный адрес. В классе C три самых старших бита равны соответственно 1,1 и 0, следующие 21 бит определяют сеть, а последние 8 бит - локальный адрес.

При отображении карты Internet-адресов на адреса локальной сети следует соблюдать осторожность. Единичный хост-компьютер должен уметь работать так, как если бы на его месте существовало несколько отдельных хост-компьютеров для использования нескольких адресов Internet. Некоторые хост-компьютеры будут также иметь несколько физических интерфейсов (multi-homing).

Таким образом, следует обеспечить каждый хост-компьютер несколькими физическими сетевыми интерфейсами, имеющими по несколько логических адресов Internet.

Фрагментация Internet дейтаграммы необходима, когда эта датаграмма возникает в локальной сети, позволяющей работать с пакетами большого размера, и затем должна пройти к получателю через другую локальную сеть, которая ограничивает пакеты меньшим размером.

Internet-дейтаграмма может быть помечена как не фрагментируемая. Любая Internet-дейтаграмма, помеченная таким образом, не может быть фрагментирована модулем Internet ни при каких условиях. Если же Internet дейтаграмма, помеченная как не фрагментируемая, тем не менее не может достигнуть получателя без фрагментации, то она будет разрушена.

Фрагментация, перенос и сборка в локальной сети, невидимые для модуля Internet-протокола, называются внутрисетевой фрагментацией и могут быть всегда использованы.

Необходимо, чтобы Internet-процедуры фрагментации и сборки могли разбивать дейтаграмму на почти любое количество частей, которые впоследствии могли бы быть вновь собраны. Получатель фрагмента использует поле идентификации для того, чтобы быть убежденным в том, что фрагменты различных дейтаграмм не будут перепутаны. Поле смещения фрагмента сообщает получателю положение фрагмента в исходной дейтаграмме.

Поле идентификации позволяет отличить фрагменты одной дейтаграммы от фрагментов другой. Модуль Internet, отправляющий Internet-дейтаграмму, устанавливает в поле идентификации значение, которое должно быть уникальным для данной пары отправитель/получатель, а также время, в течении которого дейтаграмма будет активна в системе Internet.

 

2.3.5. Технология MPLS

MPLS (MultiProtocol Label Switching) - это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, однако область ее применения не ограничивается протоколом IP, а распространяется на трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола.

Традиционно главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, малое значение задержки и хорошая масштабируемость. Однако, современное состояние рынка диктует новые правила игры. Теперь поставщику услуг недостаточно просто предоставлять доступ к своей IP-магистрали. Изменившиеся потребности пользователей включают в себя и доступ к интегрированным сервисам сети, и организацию виртуальных частных сетей (VPN), и ряд других интеллектуальных услуг. Растущий спрос на дополнительные услуги, реализуемые поверх простого IP-доступа, обещает принести Internet-провайдерам огромные доходы.

Для решения возникающих задач и разрабатывается архитектура MPLS, которая обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки трафика и беспрецедентную гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и ATM, за счет чего поставщики услуг смогут не только сохранить средства, инвестированные в оборудование асинхронной передачи, но и извлечь дополнительную выгоду из совместного использования этих протоколов.

За развитие архитектуры MPLS отвечает рабочая группа с одноименным названием, входящая в секцию по маршрутизации консорциума IETF. В деятельности группы принимают активное участие представители крупнейших поставщиков сетевых решений и оборудования. Эта архитектура выросла из системы Tag Switching, предложенной Cisco Systems, однако некоторые идеи были заимствованы у конкурирующей технологии IP-коммутации, созданной компанией Ipsilon, и проекта ARIS корпорации IBM. В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех упомянутых разработок, и вскоре она должна превратиться в стандарт Internet благодаря усилиям IETF и компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении данной технологии на рынок.

Принцип коммутации.    

В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня (Forwarding Equivalence Class, FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам (Label Switching Router, LSR). Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня.

Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети, участвуя в работе алгоритма маршрутизации — OSPF, BGP, IS-IS. Затем он начинает взаимодействовать с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью как специального протокола распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP), так и модифицированных версий других протоколов сигнализации в сети (например, незначительно видоизмененных протоколов маршрутизации, резервирования ресурсов RSVP и др.).

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP). Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре «входной интерфейс, входная метка» тройку «префикс адреса получателя, выходной интерфейс, выходная метка». Получая пакет, LSR по номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. (Значение префикса применяется лишь для построения таблицы и в самом процессе коммутации не используется.) Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле «выходная метка» таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

Сеть MPLS делится на две функционально различные области — ядро и граничную область (рисунок 2.6). Ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации трафика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются

только коммутацией. Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление трафиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети.

Каждый из классов FEC обрабатывается отдельно от остальных — не только потому, что для него строится свой путь LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания, не нарушая предоставленных пользователю гарантий. Применение в LSR таких механизмов управления буферизацией и очередями, как WRED, WFQ или CBWFQ, дает возможность оператору сети MPLS контролировать распределение ресурсов и изолировать трафик отдельных пользователей.

Использование явно задаваемого маршрута в сети MPLS свободно от недостатков стандартной IP-маршрутизации от источника, поскольку вся информация о маршруте содержится в метке и пакету не требуется нести адреса промежуточных узлов, что улучшает управление распределением нагрузки в сети.

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 5

1.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

8

1.1.

Основные понятия и определения передачи данных. Типы сообщений и службы передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

8

1.2.

 

Сети передачи данных и их характеристики  . . . . . . . . . . . . . . . . 

                        

16

1.3.

Методы коммутации каналов, сообщений и пакетов .  . . . . . . . . .

 

21

2.

 

ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ. . .

32

2.1.

 

Коммутация пакетов с использованием дейтаграммного метода

 

32

2.2.

Коммутация пакетов с использованием метода виртуальных каналов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

34

2.3.

Принципы коммутации в технологиях Х.25, Frame Relay, ATM, IP и MPLS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

36

2.3.1.

Технология Х.25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

36

2.3.2.

Технология Frame Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

39

2.3.3.

Технология АТМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

40

2.3.4

Технология IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

 

43

2.3.5.

Технология MPLS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

45

ОГЛАВЛЕНИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

 

 

 

Методические указания к практическим занятиям по курсу СДЭС «Изучение принципов коммутации» направление образования «5522200-телекоммуникация».

Рассмотрены на заседании кафедры СТ и рекомендованы к печати протокол №16 от  10.10.2005 г.

 

 

    Составители:                                                        Джураев Р.Х.

                                                                                   Ким А.А.

                                                                                  Джураев О.Р.   

Ответственный редактор:                                   Джаббаров Ш.Ю.

Редакционно - корректурная  комиссия: Корректор:                                                              Абдуллаева С.Х.