CPE (Customer Premises Equipment) – пользовательские устройства

Рисунок 1.1 – Структура телекоммуникационной сети

В телекоммуникационную сеть входят следующие основные элементы:

-                   СРЕ (Customer Premises Equipment) пользовательскими устройствами (терминальное оборудование ТО, оконечный пункт – ОП, абонентский пункт – АП) будут телефоны, факсы, компьютеры, модемы и др., определяемые как принадлежащее по­требителю оборудование;

-                   сетевой узел (network node) устанавливает, поддерживает и прекращает временное соединение между устройствами на противоположных концах. Сетевые узлы, чем бы они не являлись, обычно принимают трафик через входной порт (input port), определяют, куда он идет (на основе некоторого правила или набора правил), и выводят трафик через выходной порт (output port). Легче всего определить направление трафика по таблице точек назначения, обслуживаемой и обновляемой в самом сетевом узле. Существует много вариантов направления трафика;

-                   линия передачи (Transmission Line) – совокупность каналов и/или трактов, соединяющих сетевые узлы между собой и пользовательские устройства с сетевыми узлами (сетью).

Пользовательские устройства соединяются с сетевыми узлами по линиям интерфейса пользователь-сеть (UNI, user-network interface). Свойства линий UNI достаточно очевидны – они обычно работают на различных скоростях, поддерживают несколько носителей (от коаксиального кабеля до оптического волокна) и успешно функционируют на определенных стандартизированных или заранее запланированных расстояниях.

Сетевые узлы соединяются по линиям интерфейса сетевых узлов (NNI, network node interface), которые могут отличаться по скорости, используемому носителю и расстоянию. Межсетевой интерфейс определяет порядок взаимодействия между различными сетевыми элементами (коммутаторами, маршрутизаторами), входящими в разные подсети.

Сетевой узел любой сети всегда применяет какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Например, в телефонных сетях общего пользования (СТОП) используется коммутация каналов, в сетях передачи данных – коммутация пакетов, в телевизионных и радиосетях – частотная коммутация.

Методы коммутации

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК (узел коммутации) каналов с соответствующими адресу исходящими каналами.

При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающее устройство, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы. В свою очередь, непосредственное соединение подразделяется на системы с отказом и системы с ожиданием.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК). Под коммутацией каналов понимается совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации один оконечный пункт (ОП) с другим (например, в Тф связи).

Пространственная коммутация – соединение пространственно разделенных каналов по электромеханической, электронной, цифровой или оптической технологии с использованием коммутационных элементов, построенных на базе той же технологии.

Временная коммутация предусматривает возможность коммутировать в пространстве, но когда пространственно коммутируемый физический тракт достигает своего приемника в коммутационном поле, приемник получает команду выбирать только те данные, которые соответствуют определенному временному каналу. Если приемнику и передатчику назначены разные временные каналы, требуется временная коммутация.

Частотная коммутация применяется, как правило, для коммутации телевизионных каналов и радиоканалов и в этом учебнике не рассматривается.

Коммутацией с накоплением называется совокупность операций при приеме на УК сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресе.

Известны две разновидности системы с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП). В случае коммутации сообщений вся информация по мере свободности каналов передается поэтапно через узлы коммутации, где она хранится до освобождения каналов (телеграфная связь), диалог не возможен между пользователями, поскольку оконечные устройства не работают в реальном масштабе времени.

Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и дейтаграммный.

Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации и обладает всеми преимуществами методов коммутации каналов и пакетов. Для коротких сообщений более эффективен дейтаграммный режим, не требующий довольно громоздкой процедуры установления виртуального соединения между абонентами.

Режим виртуальных соединений предполагает резервирование ресурса на время сеанса связи и в определенной степени напоминает метод коммутации  каналов, применяемый в классических телефонных сетях. Виртуальный канал между абонентами, по которому в асинхронном режиме, по мере освобождения физического канала передаются блоки информации абонента (пакеты). Термин «дейтаграмма» применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Выбор методов коммутации решается, исходя из требований к транспортной сети, которые в свою очередь, определяются особенностями трафика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания.

Коммутация пакетов позволяет более эффективно использовать канал связи для передачи информации сразу от многих пользователей и очень пригодилась для решения задач объединения компьютерных сетей и создания всемирной сети Интернет.

Коммутация каналов и коммутация пакетов во многом отличаются друг от друга. Так, например, если в первом случае необходимая пропускная способность (канал) резервируется заранее, то во втором она занимается и освобождается по мере надобности.

Как следствие, при коммутации каналов канал между корреспондирующими абонентами не может быть занять никем иным, в то время как при коммутации пакетов незанятая на данный момент пропускная способность может быть предоставлена пакетом и от других источников. Коммутация каналов полностью прозрачна в том смысле, что отправитель и получатель вольны использовать любую скорость передачи, формат данных и обрамление кадров по своему усмотрению.

2 Лекция. Технология локальной вычислительной сети Ethernet

Цель лекции: Изучить стандарты локально-вычислительных сетей.

План лекции:

—   технологии Ethernet;

—   форматы кадров;

—   протокола CSMA/CD;

—   архитектура стандарта Fast Ethernet;

—   архитектура стандарта Gigabit Ethernet.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структура стандартов IEEE 802.X

Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи-уровневой модели OSI - физический и канальный.

Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких, как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).

Уровень MAC. Этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий уровень - уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Протоколы сетевого уровня передают через межуровневый интерфейс данные для протокола LLC свой пакет, адресную информацию об узле назначения, а также требования к качеству транспортных услуг, которое протокол LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется необходимыми служебными полями. Далее через межуровневый интерфейс протокол LLC передает свой кадр вместе с адресной информацией об узле назначения соответствующему протоколу уровня MAC, который упаковывает кадр LLC в свой кадр (например, кадр Ethernet).

Форматы кадров. На рисунке 2.2  показаны основные форматы кадров.

Рисунок 2.2 - .Два базовых MAC формата (raw formats) кадра

Поля имеют следующие назначения:

-       преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне;

-       ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011, указывает, что далее последуют информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле;

-       адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает MAC-адрес станции (MAC-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast);

-       адрес отправителя (SA, source address): 6 байт, указывает MAC-адрес станции, которая посылает кадр;

-       поле типа или длины кадра (T or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet – Ethernet-II и IEEE 802.3, причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра Ethernet-II в этом поле содержится информация о типе кадра;

-       данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3.

Протокол CSMA/CD

Ethernet IEEE 802.3. использует метод доступа к среде передачи - CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с обнаружением несущей. Перед началом передачи данных сетевой адаптер Ethernet "прослушивает" сеть. Если среда передачи в данный момент кем-то используется, адаптер задерживает передачу, если же нет, то начинает передавать. В том случае, когда два адаптера, предварительно прослушав сетевой трафик и обнаружив "тишину", начинают передачу одновременно, происходит коллизия. При обнаружении адаптером коллизии обе передачи прерываются, и адаптеры, прослушав канал, повторяют передачу спустя некоторое случайное время. Приведем основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции. Передача кадра:

1.    Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята) переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1).

2.    Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу.

3.    Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу.

4.    После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращается к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет в 9,6 мкм (12 байт). С одной стороны он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.

Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что ни один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры.

Прием кадра. Принимающая станция или другое сетевое устройство, например, концентратор или коммутатор первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток.

На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер, и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается.

Архитектура стандарта Fast Ethernet

В стандарте IEEE 802.3 функцию кодирования (манчестерский код) выполняет уровень физической сигнализации PLS, который находится выше среданезависимого интерфейса AUI. В стандарт Fast Ethernet функции кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса MII. В результате этого, каждый трансивер должен использовать свой собственный набор схем кодирования, наилучшим образом подходящий для соответствующего физического интерфейса, например, набор 4B/5B и NRZI для интерфейса 100Base-FX.

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса GMII.

GMII интерфейс. Среда независимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем. GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные приемник и передатчик, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию (clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий - и еще несколько других сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средазависимых интерфейсов, может подключать, например, к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса.

3 Лекция. Технология X.25

Цель лекции: изучить принципы стандарта Х.25.

Содержание лекции:

-       стандарт сетевого уровня Х.25;

-       архитектура Х.25. Формат пакетов х.25;

-       форматы пакета и кадра LAPВ.

Рекомендация "X.25" описывает интерфейс доступа пользователя в сеть передачи данных и интерфейс взаимодействия с удаленным пользователем через сеть передачи данных. Рекомендация "X.25" описывает три уровня протоколов.

Первый - "физический" описывает уровни сигналов и логику взаимодействия в терминах физического интерфейса. На физическом уровне определены последовательные синхронные интерфейсы X.21 и X.21bis (допустимо использование интерфейсов V.24, V.35, RS-232C,  RS-449, G.703).

На канальном уровне сеть гарантирует доставку, обеспечивает целостность данных и управление потоком. Канальный уровень реализуется подмножеством протокола HDLC – протоколом LAP-B (Link Access Protocol – Balanced).

В протоколах второго уровня вводится понятие "кадра" (frame). Начинается кадр с "флага" - последовательности битов строго определенного вида, являющейся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которое в случае двухточечного соединения представляет собой адрес А или адрес B. Далее следует поле типа кадра, указывающее на то, несет ли кадр в себе информацию или является чисто служебным. Предусмотрено также и поле номера кадра: кадры нумеруются циклически, т.е. при достижении заданного значения нумерация опять начинается с нуля. И, наконец, заканчивается кадр контрольной последовательностью, по которой на приеме происходит проверка качества передачи (наличие искажений информации).

Число кадров, посылаемое передающей стороне без подтверждения от принимающей стороны, тоже можно менять. Данный параметр связан "модулем нумерации", т.е. со значением порога, достигнув которого, нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть задано в пределах от 8 (для каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) до 128 (когда задержка при передаче информации по каналу велика, например, для спутниковых каналов).

На сетевом уровне определен протокол X.25/3 (PLP, Packet Layer Protocol), описывающий обмен пакетами между АПД и СПД. Он выполняет функции маршрутизации пакетов, установления и разрыва виртуального канала, управления потоком пакетов.

Третий уровень протоколов - "сетевой". Данный протокол отвечает прежде всего за маршрутизацию в сети передачи данных X.25. Протокол третьего уровня также структурирует информацию - разбивает ее на "порции". На третьем уровне порция информации называется уже "пакетом"(packet). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра: в пакете имеется свой модуль нумерации, собственные поля адреса, тип пакета и контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. Главным образом, это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр; поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру.

Для доставки информации от одного абонента до другого через сеть X.25 используется метод "коммутации пакетов" (packet switching).

Виртуальные соединения могут быть как постоянными (permanent), так и коммутируемыми (switched).

Т а б л и ц а 3.1 - Идентификатор типа пакета

Пользовательское окончание сети, известное как Терминальное Оборудование Данных (DTE – Data Terminal Equipment), и оборудование для передачи - Оконечное Оборудование Передачи Данных (DCE – Data Circuit-Terminating

Equipment). X.25 PLP позволяет DTE пользователя в сети X.25 устанавливать соединение с несколькими удаленными DTE одновременно. Соединения происходят в логических каналах двух типов:

- коммутируемый виртуальный канал (SVC) очень похож на телефонный канал: вначале устанавливается соединение, передаются данные и затем соединение разрывается. Каждому DTE в сети дается уникальный DTE-адрес, который может быть использован как телефонный номер;

Рисунок 3.1 -  Форматы пакета и кадра LAPВ. (протокол Х.25)

- постоянный виртуальный канал (PVCs) аналогичен обычной арендованной линии с постоянным соединением. Постоянное логическое соединение устанавливается администрацией сети пакетной коммутации. Следовательно, данные можно посылать без специальной установки вызова.

Для того, чтобы устанавливать соединение на SVC, вызвающая DTE посылает Пакет Требования Вызова (Call Request Packet), который включает адрес удаленного DTE, к которому происходит обращение. Принимающий DTE решает принимать вызов или нет (Пакет Требования Вызова включает в себя адрес DTE-отправителя, а также другую информацию, которую названный DTE может использовать, чтобы принять решение о приеме вызова). Если вызов принят, высылается пакет "Вызов принят", или отменяется, и тогда высылается "Пакет Отказа". Если DTE получает пакет "Вызов Принят", устанавливается виртуальный канал и можно производить передачу данных. Если же эта DTE хочет прервать соединение, удаленному DTE высылается "Пакет Отказа", на который должен быть получен пакет подтверждения отказа. Назначение каждого пакета определяется посредством Логического Канального Идентификатора (Logical Channel Identifier - LCI) или Логического Канального Номера (Logical Channel Number - LCN). Это позволяет PSN направлять каждый пакет его предполагаемому DTE.

Рисунок 3.2 – Структура сети X.25

Структурно сеть X.25 состоит из аппаратуры передачи данных (АПД, DTE, Data Terminal Equipment) – терминалы, компьютеры и т.д., аппаратуры окончания канала данных (АОКД, DCE, Data Circuit-Terminating Equipment) –телекоммуникационного оборудования, модемов и т.п. и центров коммутации пакетов (ЦКП, PSE, Packet Switching Exchange). Кроме того, применяются сборщики-разборщики пакетов (СРП, PAD, Packet Assembler/Disassembler), буферизующие потоки байтов от асинхронных терминалов и преобразующие их в потоки пакетов (и производящие обратные преобразования). После установления соединения АПД с коммутатором на канальном уровне, АПД передает пакет запроса виртуального соединения с другим АКП (Call Request), который маршрутизируется коммутаторами, прокладывая виртуальный канал. Протокол X.25 допускает длину поля данных пользователя в пакете до 4096 байт, но предпочтительной является длина по умолчанию 128 байт. Производительность коммутаторов X.25 обычно составляет несколько тысяч пакетов в секунду, что существенно ограничивает пропускную способность сети. Это связано с тем, что протоколы X.25 предназначались для использования на низкоскоростных линиях связи с высоким уровнем помех, поэтому каждый коммутатор должен подтвердить каждый принятый пакет, выполнить разбор пакета для определения дальнейшего пути и повторную его упаковку в кадр LAP-B. При этом задержка коммутации составляет сотни миллисекунд.

4 Лекция. Технология Frame Relay (FR)

Цель лекции: изучить принципы построения стандарта Frame Relay(FR).

Содержание лекции:

-       параметры качества обслуживания FR;

-       структура кадра Frame Relay;

-       компоненты Frame Relay;

-       устранение и предотвращение перегрузок. Биты уведомлений FECN и BECN.

Tехнология Frame Relay (FR) была разработана специально для передачи неравномерного компьютерного трафика через «хорошие» каналы связи. Сети FR, как и сети X.25, работают на основе виртуальных каналов, но с каждым таким каналом теперь связываются не только параметры пути (метки), но и параметры QoS.  Сети X.25 свойственно большая избыточность стека протоколов, в них процедуры обнаружения и исправления ошибок, а также процедуры управления потоком данных предусмотрены и на канальном, и на сетевом уровнях.  Узел FR при получении кадра выполняет лишь две функции:

-         проверка целостности кадра. Если нет, то кадр будет отброшен;

-         проверка правильности адреса. Если адрес неизвестен, то кадр опять же будет отброшен.

При обнаружении ошибки узел FR просто отбрасывает сбойный пакет, не заботясь о необходимости повторной его посылки, - за это ответственно оборудование оконечных пользователей. По сравнению с Х.25, FR затрачивает значительно меньше времени на обработку одного кадра информации, что приводит к задержке всего в 3 мсек/узел, при том, что Х.25-задержка составляет до 50 мсек/узел. В сети FR могут быть использованы два типа виртуальных каналов: коммутируемые (SVC) и постоянные (PVC). FR оперирует, в основном, с постоянными виртуальными каналами (PVC). Коммутируемые виртуальные соединения применяются в FR достаточно мало.

Для идентификации постоянных виртуальных каналов в сетях, построенных по технологии FR, используется DLCI (Data-Link Connection Identifier). Значение DLCI однозначно определяет номер виртуального канала для каждого порта устройства FR.

Каждому каналу PVC назначается конкретное значение CIR (Committed Information Rate – согласованная скорость передачи). В режиме статистического перераспределения полосы пропускания предоставляются только активным программам. Если порт поддерживает четыре программы (пример), выполняющихся одновременно, то они совместно используют полосу пропускания. Если активна только одна программа, то ей предоставляется вся полоса.

Параметры качества обслуживания FR

Основное отличие технологии FR от X.25 заключается в возможности формирования и реализации соглашений относительно значений параметров качества предоставляемой услуги. В качестве таких параметров в сети FR используются:

-   согласованное значение информационной скорости (Committed Information Rate – CIR);

-   гарантированный объем передаваемых данных (committed burst size – Bc);

-   не гарантированный объем передаваемых данных (excess burst size – Be).

Все пакеты, полученные в диапазоне передачи до CIR, будут гарантировано доставлены; в диапазоне от CIR до MIR могут быть доставлены, но в случае конфликта они будут отброшены; все пакеты полученные в диапазоне выше MIR, будут, безусловно, не доставлены и отброшены.

После обнаружения перегрузки коммутаторы FR используют механизм дискартирования для ее устранения. При превышении скорости передачи максимальной скорости (определяемой обычно скоростью доступа - AR), коммутатор должен сам начать процесс дискартинга и дискартировать все лишние кадры, отмеченные низким приоритетом.

Так же, как в случае с процедурой контроля скорости передачи данных, если объем блока становится больше Вс, соответствующим блокам присваивается низкоуровневый приоритет при дискapтиpoвaнии (DE=1). При дальнейшем увеличении размера больше Вс + Be соответствующие кадры дискартируются.

Сигнализация и управление виртуальными каналами FR. Широкое использование технологии FR в качестве универсальной транспортной среды вызвало необходимость разработки дополнительных спецификаций, которые обеспечивали более гибкое управление ресурсами PVC и SVC в сети FR. Одной из первых таких спецификаций была спецификация LMI. Создание спецификации LMI позволило использовать следующие виды сервиса:

-   использование значений DLCI для глобальной адресации хостов в сети Frame Relay;

-   механизм автоматического определения текущего статуса PVC;

-   использование многоадресных сообщений;

-   использование процедур определения адреса канального уровня.

Для передачи управляющих сообщений LMI обычно используется специальный PVC #1023. Мониторинг состояния PVC в данном случае осуществлялся по принципу Keep Alive – одно устройство посылает запрос Status inquiry, в ответ на который смежное сетевое устройство формирует ответ на запрос Status report.

Структура кадра Frame Relay

Поля EA0 И EA1 (Effective Address, исполнительный адрес) управляют размером заголовка. Если бит EA сброшен (EA=0), то в следующем байте содержатся дополнительные биты DLCI. Если бит EA установлен (EA=1), то данный байт – последний в заголовке.

Поле DLCI (Data Link Connection Identifier, идентификатор виртуального соединения) используют коммутаторы (FRAD) для указания друг другу, какие данные передаются в этом кадре.

Поля FECN (Forward Explicit Congestion Notification, явное уведомление о заторе в прямом направлении) и BECN (Backward Explicit Congestion Notification, явное уведомление о заторе в обратном направлении) используются коммутаторами при возникновении перегрузок в сети.

Поле DE (Discard Eligibility, приемлемость удаления) устанавливается отправителем кадра и означает, что данный кадр при возникновении перегрузок можно удалить.

Поле C/R (Command/Reply, команда/ответ), когда равно 1, в кадрах, содержащих команды, требует, чтобы на команду был дан ответ, а в кадрах, содержащих ответы, указывает на последний кадр ответа.

Компоненты Frame Relay

Компонентами сети FR являются устройства трех основных категорий:

- устройства DTE (Data Terminal Equipment);

- устройства DCE (Data Circuit-Terminating Equipment);

- устройства FRAD (Frame Relay Access Device).

Основу сети FR образуют специализированные коммутаторы – FRAD (FrameRelay Access Device, устройство доступа к сети с ретрансляцией кадров).

Устранение и предотвращение перегрузок.

При возникновении перегрузки происходит уничтожение определенного количества кадров (дискартинг). Бит DE устанавливается в “1” в случае явной перегрузки и указывает на то, что данный кадр может быть уничтожен в первую очередь. При наличии в сети значительного запаса пропускной способности абонент может определить CIR, равной "0". В этом случае во всех передаваемых кадрах бит DE будет установлен в "1". Определенную роль в устранении перегрузок сети FR играют биты уведомлений FECN и BECN. Коммутатор FR в сети устанавливает бит FECN, указывающий на перегрузку в прямом направлении следования кадра, а  бит BECN, указывающие на перегрузку в обратном направлении. Если в противоположном направлении нет передачи данных, сигнал BECN передавать невозмож­но. В этом случае коммутатор FR использует сообщение объединенного протокола управления каналом данных CLLM (Consolidated Link Layer Management).

5 Лекция. Концепция сети следующего поколения NGN

Цель лекции: изучить концепции сети следующего поколения (Next Generation Network, NGN) и ее базовые принципы.

Содержание лекции:

-       понятие сети NGN  и ее базовые принципы;

-       функциональная модель сетей NGN;

-       архитектура сети связи, построенной в соответствии с концепцией NGN.

В основу концепции построения сети NGN заложена идея о создании универсальной сети, которая бы позволяла переносить любые виды информации, такие как: речь, видео, аудио, графику, а также обеспечивать возможность предоставления неограниченного спектра инфокоммуникативных услуг.

Сеть связи следующего поколения (NGN) - концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами.

На рисунке 5.1 показана архитектура NGN, предложенная МСЭ в рекомендации Y.1001. Она содержит ряд новых элементов по сравнению с моделями, привычными для специалистов по телефонии. Медиа-шлюз выполняет достаточно простые функции преобразования информационных потоков. Слева от медиа-шлюза показан RTP-поток, который формируется при использовании транспортного протокола реального времени (Real Time Transport Protocol), а справа – поток, образованный системой передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Медиа-шлюз выполняет достаточно простые процедуры, но в крупной сети он должен обладать большой производительностью.

Медиа-шлюз управляется соответствующим контроллером MGC, который теперь более известен по названию Softswitch. Контроллеры могут быть связаны между собой, что показано на рисунке 1 пунктирной линией с надписью MGC/MGC. Контроллер взаимодействует также с интеллектуальной базой данных (Intelligent Database – ID).

Над контроллером MGC показан шлюз сигнализации (SG). В сторону СТОП (или сотовой сети) шлюз сигнализации передает и принимает информацию по сети ОКС. В российской сети ОКС применяется подсистема пользователя ЦСИО – ISUP. Взаимодействие с контроллером MGC осуществляется через интерфейс, обозначенный как SG/MGC. Для связи с интеллектуальной базой данных определен интерфейс ID/SG. Для поддержки услуг ИС используется прикладной протокол Интеллектуальной сети – INAP.

Рисунок 5.1 - Архитектура сети NGN по рекомендации МСЭ Y.1001

На рисунке 5.2 показана архитектура, предложенная компанией Lucent Technologies для объяснения концепции NGN. Эта архитектура отличается от аналогичных моделей, используемых в сетях телефонной связи и обмена данными. Уровень услуг выделяется в самостоятельный элемент архитектуры сети. Он занимает верхнюю плоскость в рассматриваемой модели. В какой-то мере, выделение самостоятельного уровня услуг подобно решению, которое предложено в концепции ИС.

Уровень управления располагается на второй плоскости. В модели NGN этот уровень включает совокупность функций по управлению всеми процессами в телекоммуникационной системе, а также начисление платы за услуги связи и техническую эксплуатацию. Для реализации функций, которые выполняет этот уровень, Производители телекоммуникационного оборудования разработали аппаратно-программные средства, именуемые Softswitch.

Рисунок 5.2 - Архитектура NGN, предложенная компанией Lucent Technologies

Уровень среды обмена информацией находится на третьей плоскости. Функции, выполняемые этим уровнем, включают процедуры установления соединений между пользователями сети и межсетевое взаимодействие. Типичным примером оборудования, которое реализует эти функции в сети NGN, служат аппаратно-программные средства Media Gateway (медиа-шлюза).

Уровень доступа и транспорта располагается на четвертой плоскости. Основные функции этого уровня – перенос информации между конечными пользователями сети NGN. В качестве средств доступа в концепции сети NGN рассматриваются практически все используемые в настоящее время варианты, основанные на различных технологиях.

Термин "Softswitch" можно перевести на русский язык как "коммутатор с программным управлением", что не отражает его функциональное назначение. Судя по выполняемым аппаратно-программными средствами функциям, в первую часть термина (Soft) авторы архитектуры Soft switch заложили значение этого слова, чаще всего употребляемое вне телекоммуникационных понятий – как "гибкий". Если отказаться от строгого перевода, можно использовать термин "Интеллектуальный коммутатор".

В сети NGN предполагается применять только открытые (стандартные) протоколы, которые позволяют, при необходимости, легко менять выполняемые функции. Особенность коммутационных станций ТФОП состоит в том, что они, как правило, имеют стандартные интерфейсы на входе и выходе. Практически все внутренние процессы в коммутационной станции, как в "черном ящике", поддерживались фирменными (нестандартными) протоколами, разработка которых осуществлялась Производителем соответствующих аппаратно-программных средств.

Для сети NGN определен ряд новых протоколов, часть из которых была разработана ранее. Целесообразно выделить пять следующих протоколов.

1. Протокол H.323. Рекомендация МСЭ H.323 была разработана для обеспечения установления соединения и передачи голосового и видео трафика по пакетным сетям, которые не гарантируют качества обслуживания (QoS). Используется протокол RTP, разработанный IETF (инженерная группа по проблемам Internet), а также стандартные кодеки, отвечающие требованиям МСЭ, которые изложены в рекомендациях серии G. Протокол H.323 был первым в реализациях технологии IP-телефонии, но сейчас он начал уступать позиции разработанному IETF протоколу SIP (инициирование сеансов связи), который оказался проще и лучше масштабировался.

2. Session Initiation Protocol. Это протокол прикладного уровня, с помощью которого осуществляются такие операции, как установление, изменение и завершение мультимедийных сессий или вызовов по IP-сети. В мультисервисных сетях SIP выполняет функции, аналогичные тем, которые реализованы в протоколе H.323. Сессии SIP могут включать мультимедийные конференции, дистанционное обучение, Internet-телефонию и другие подобные приложения. Сегодня SIP рассматривается многими участниками инфокоммуникационного рынка как международный стандарт.

3. Media Gateway Control Protocol. Протокол MGCP используется для управления шлюзами MG. Он разработан для архитектуры, в которой вся логика обработки вызовов располагается вне шлюзов, и управление выполняется внешними устройствами, такими, как MGC или агенты вызовов. Модель вызовов MGCP рассматривает медиа-шлюзы как набор конечных точек, которые можно соединить друг с другом.

4. MEGACO/H.248. Этот протокол, по всей видимости, заменит MGCP в качестве стандарта для управления медиа-шлюзами.

MEGACO служит общей платформой для шлюзов, устройств управления многоточечными соединениями, а также устройств интерактивного голосового ответа. Модель соединений, используемая MEGACO, более проста, чем для протокола MGCP.

5. Протокол Signalling Transport (SIGTRAN). Это набор протоколов для передачи сигнальной информации по IP-сетям. Он используется как в обоих видах шлюзов, так и в Softswitch. SIGTRAN реализует функции протокола SCTP (Simple Control Transport Protocol) и уровней адаптации (Adaptation Layers). SCTP отвечает за надежную передачу сигнальной информации, осуществляет управление сигнальным трафиком, обеспечивает безопасность. В функции Adaptation Layers входит передача сигнальной информации от соответствующих сигнальных уровней, использующих услуги SCTP.

Эти протоколы ответственны за сегментацию и пакетирование пользовательских данных, защиту от имитации законного пользователя, изменения смысла передаваемой информации и ряд других функций.

6 Лекция. Мультисервисные сети

Цель лекции: изучить принципы построения мультисервисных сетей.

Содержание лекции:

-       основные понятия;

-       архитектура мультисервисных сетей;

-       платформы Softswitch.

Мультисервисные сети представляют собой самостоятельный класс сетей, строящихся на основе концепции NGN, на базе которых может быть осуществлено предоставление широкого набора как традиционных, так и новых услуг.

Определение мультисервисных сетей как самостоятельного класса означает, что их регламентация должна осуществляться на основе нормативно-технической базы, учитывающей особенности интеграции различных услуг и системно-технических решений в рамках одной сети.

Базовые услуги, предоставляемые существующими сетями связи и мультисервисными сетями (например, услуги телефонии), должны обладать идентичными характеристиками. Это означает, что мультисервисные сети должны обеспечивать выполнение принятых норм и требований для каждого типа услуг, включая показатели качества, параметры интерфейсов, адресацию/нумерацию и т.д.

Для новых типов услуг (таких, как услуги интеллектуальной сети, услуги мультимедиа, инфокоммуникационные услуги) мультисервисные сети должны обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других сетей.

Построение мультисервисных сетей должно соответствовать двухуровневой архитектуре, состоящей из регионального и магистрального (включая межрегиональный) уровней (рисунок 6.1). Это создаст условия для повсеместного внедрения инфокоммуникационных услуг и решения таких задач, как обеспечение структурной надежности, нормирования показателей качества услуг и т.п.

На региональном уровне мультисервисная сеть обеспечивает подключение абонентов и предоставление им как транспортных, так и инфокоммуникационных и других услуг, а также обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других региональных сетей.

На магистральном уровне мультисервисная сеть должна обеспечивать предоставление услуг переноса для взаимодействия мультисервисных региональных сетей, а также для передачи (при необходимости) нагрузки всех существующих сетей.

Решение указанных проблем связано с формированием сетей доступа, которые бы позволили, с одной стороны, обеспечить разделение трафика на участке, где не накладывается жестких ограничений на скорость передачи, и, с другой стороны, не осуществляется концентрация трафика.

Рисунок 6.1 - Двухуровневая архитектура мультисервисных сетей

Общее требование к современным технологиям мультисервисного доступа сформулировать несложно: должна обеспечиваться передача любых видов трафика в одном канале. Сегодня это называется "triple-plays": видео, речь и данные, причем переход к NGN требует более широкой трактовки этих понятий. Передача речи – это и услуги местной телефонной связи, и выход на междугородную и международную связь (по новым правилам должен быть реализован выход на альтернативного оператора), и IP-телефония. Аналогичным образом расширяются и понятия услуг передачи видео и данных.

Поддержка оборудованием тех или других протоколов напрямую связана с обеспечением требуемой сетевой функциональности.

Сети следующего поколения будут поддерживать одну платформу управления и иметь общее ядро и для мобильной, и для фиксированной связи. В итоге абоненты получат единый набор услуг: и для СТОП, и для IP-телефонии, и для мобильной сети. И первая из них – сохранение номера при переходе от одного оператора к другому

Архитектура сетей NGN предполагает создание мультисервисной сети, причем первой фазой этого процесса является развертывание структуры мультипротокольной коммутации (MPLS). Основные преимущества технологии MPLS заключены в возможности легкой организации виртуальных частных сетей второго и третьего уровней (MPLS VPN), в обеспечении эффективного использования пропускной способности каналов связи и гарантированного качества услуг.

Транспортные технологии уровня магистрали.

Транспортная архитектура телекоммуникационных сетей включает три уровня.

Первый – магистральные сети, второй – опорные/городские сети, и третий – сети доступа. На уровне магистралей в NGN иногда используется технология АТМ, но практически все новые магистральные сети NGN строятся на основе структур IP/MPLS, которые могут накладываться поверх существующих сетей с коммутацией каналов или создаваться заново. Возможные варианты технологий доступа хорошо известны, это – СТОП, ADSL, LAN, HFC, WLAN, GSM, UMTS, CDMA 2000, и в перспективе – WiMax. Отметим, что к транспорту NGN могут подключаться и сети, не поддерживающие пакетную передачу.

На уровне опорных и городских сетей традиционные АТС (междугородние, городские и районные) постепенно замещаются медиашлюзами, управляемыми программными коммутаторами (SoftSwitch). Программный коммутатор, иногда называемый Call Agent, управляет установлением соединений и формирует информацию для системы биллинга. Медиашлюзы (Media Gateway), управляемые программным коммутатором, переправляют потоки в сеть доступа, преобразуя их в соответствующий формат. Это общий термин для всех шлюзов, соединяющих две разные транспортные среды. К ним, в частности, относятся DSLAM-ы и шлюзы IP/QAM, устанавливаемые на границах сетями доступа HFC.

Медиашлюзы, установленные на границе NGN и традиционной СТОП, стыкуют VoIP среду и линии TDM или аналоговые телефонные линии. Телефонные медиашлюзы выполняют перекодирование и передачу голоса, а также преобразование всех телефонных сигналов («вызов», тоновый набор, занято), поддерживают механизмы эхоподавления и т.д. Один программный коммутатор может управлять множеством медиашлюзов, в том числе разнесенными географически.

Традиционной физической средой передачи данных по магистральным сетям является оптическое волокно. Способы его применения классифицируют по названию точки сопряжения с потребителем и объединяют названием FTTx – оптоволокно до точки "x". Чаще всего применяется: FTTB (Fiber To The Building) - оптика до административного здания, FTTC (Fiber To The Curb) - до распределительного шкафа, FTTH (Fiber To The Home) - до жилого дома, FTTR (Fiber To The Remote) - до абстрактного выносного модуля.

Базовыми магистральными технологиями на сегодня являются следующие: SONET/SDH, ATM, POS (Pocket over Sonet), EoSDH (Ethernet over SDH), DWDM, CWDM, DPT/RPR, Fast/Gigabit/10 Gigabit Ethernet, NGSDH.

Изначально основной задачей телекоммуникационных структур являлась передача голосового трафика. При построении сети SDH обычно используется топология двойного кольца. По одному кольцу передается синхронизирующая информация, а по другому – непосредственно трафик. Использование колец дает возможность автоматического восстановления при авариях. Сам метод передачи называется коммутированием каналов.

Основными достоинствами данной технологии являются стандартизованность, масштабируемость и высокая надежность (время восстановления порядка 50 мс).

Большинство городских сетей построено на базе технологии SDH, однако их основные элементы не приспособлены для транспорта трафика IP. Традиционные мультиплексоры ввода/вывода и цифровые системы кросс-соединений плохо масштабируются, поддерживают ограниченное число интерфейсов и скорости передачи, из-за чего операторы вынуждены создавать сложные сетевые инфраструктуры, которые не только затрудняют внедрение новых услуг, но и дороги в обслуживании.

Для решения стоящей перед операторами задачи использования лучших качеств SDH в процессе интеграции сетей с коммутацией каналов и сетей с коммутацией пакетов необходимо было отыскать экономичный путь миграции к современным решениям.

Недостатки использования «классического» SDH для передачи данных наиболее остро стали проявляться при необходимости предоставления широкополосных услуг связи локальных сетей.

Во-первых, это необходимость в преобразовании интерфейсов LAN (Ethernet) к интерфейсам SDH (E1, E3, STM-1, STM-4 и т.д.), используя промежуточные устройства, такие, как FRAD, ATM IAD, IP маршрутизаторы и т.д.

Во-вторых, небольшой ряд возможных скоростей передачи данных (который к тому же слабо корелируется с рядом скоростей LAN: 10, 100, 1000 Мбит/с), значительно ограничивает возможности эффективного предоставления услуг, либо требует применения в подключаемом оборудовании дополнительных схем (например, инверсное мультиплексирование).

Основными достоинствами данной технологии являются стандартизованность, масштабируемость и высокая надежность (время восстановления порядка 50 мс).

К недостаткам можно отнести ориентацию на передачу голосового трафика, фиксированную полосу пропускания, не зависящую от загрузки каналов, и неэффективное использование колец.

7 Лекция. Построения транспортной сети MetroEthernet

Цель лекции: изучить принципы построения транспортной сети MetroEthernet

Содержание лекции:

-       основные понятия;

-       протоколы и интерфейсы.

В последнее десятилетие в связи с бурным ростом корпоративных локальных сетей Ethernet остро встал вопрос о создании единого информационного поля, объединяющего такие локальные сети. Если раньше понятие глобальной сети WAN ориентировалось на объединение различных пользователей передачи данных в единую сеть, то сейчас задача действительно сводится к объединению локальных сетей, причем очень высокой емкости. Если раньше пользователи довольствовались сетями 10/100 Base-T, то сейчас все больше встречается сетей Gigabit Ethernet и 10GEth, на повестке дня 100 GEth.

Бурное развитие технологии СКС с одной стороны и различные способы решения задачи информатизации внутри зданий (HPNA, VDSL, Gigabit Ethernet и т.д.) с другой стороны, вывели проблему объединения широкополосных сетей Ethernet на новый качественный уровень. В настоящее время нет никаких проблем организации ЛВС на основе Ethernet внутри зданий, но технология объединения таких сетей сильно отставала. Первым методом объединения локальных сетей стали сети FR, но их емкость скоро оказалась недостаточной. Решения ATM, MPLS, PON/ATM и OTN потребовали коренной реконструкции магистральной сети, во всех «рецептах» требовалось создать широкополосную СПД «с нуля» для объединения локальных сетей.

Параллельно развивались сети SDH как сегменты первичной сети, в основном, для сетей с коммутацией каналов (телефония, видеоконференцсвязи и пр.). Здесь SDH продемонстрировала все свои преимущества, а именно: высокую стабильность и надежность работы, полную управляемость, а главное – масштабируемость с ростом требований к пропускной способности. С минимальными затратами операторы перескакивали с STM-1 на STM-4/16. Появившиеся системы уровня STM-64 также не потребовали коренной реконструкции сетей. Появилось устойчивое мнение, что «труба» SDH может быть практически бесконечной.

Таким образом, появился парадокс: с одной стороны бурно развивалась потребность в цифровых широкополосных системах передачи для образования транспорта WAN, с другой стороны, системы SDH давали практически бесконечное расширение, но с системами передачи данных не соединялись. Даже робкие попытки сделать конвергентные решения типа «ATM поверх SDH» мало что дали миру, т.к. все равно требовали установки большого количества коммутаторов АТМ, что оказалось эквивалентно коренной модернизации.

Попытки использовать SDH на самых первых этапах привели к двум технологиям HDLCoSDH или PoS и LAPS. Но эти технологии показали всю несовместимость SDH и пакетного трафика. SDH – это технология ориентированная на коммутацию потоков, но не пакетов.

А наиболее ценный для сетей Ethernet IP-трафик, напротив, демонстрирует самоподобную и крайне нерегулярную структуру. В результате использование SDH для передачи пакетного трафика требовало смириться с низкой КПД систем SDH, поскольку они оказывались хронически недозагруженными.

Традиционная архитектура городских сетей базируется на технологии SDH и имеет кольцевую топологию. SDH была разработана для передачи голоса и предназначалась для приложений, ориентированных на коммутацию каналов и соединения типа точка – точка.

В сетях передачи данных начали остро проявляться недостатки SDH в отношении этого типа трафика.

Из сильных сторон SDH отметим быструю восстанавливаемость (50 мс) и доступность (заветные для любого оператора связи «пять девяток» – 99,999%) обеспечение высокой отказоустойчивости достигается резервированием 50% пропускной способности двойного кольца.

Прежде всего – это фиксированные каналы, между каждыми двумя узлами кольца SDH образуют соединения типа точка-точка. Такому соединению выделяется фиксированная часть полной полосы пропускания кольца. Для случая, показанного на слайде а), это только 0,25 полной пропускной способности. Фиксированная полоса не сочетается со взрывным характером трафика, присущим передаче данных.

Если же необходимо обеспечить логические связи типа решетки (mesh), то потери производительности будут еще больше: для пяти узлов (слайд б) – это лишь 0,1 от полной полосы на каждую связь. Трудности возникают и при выполнении многоадресной рассылки. Для ее осуществления в кольце SDH источник должен быть связан с каждым получателем отдельным логическим каналом, и для него генерируется новая копия фрагмента данных. Таким образом, по кольцу путешествует множество копий фрагмента, поглощая ресурсы.

Одной из основных причин недостаточной масштабируемости и неэффективного использования полосы пропускания служит механизм мультиплексирования с разделением по времени (TDM). Реализация TDM предусматривает для каждого узла определенную последовательность временных слотов в общем потоке данных, из которых узлы в установленные отрезки времени считывают информацию, даже не подозревая (в случае многоадресной рассылки), что в следующем, "чужом" слоте находится ее очередная порция.

Рисунок 7.1 - Традиционная архитектура городских сетей

Многих из перечисленных выше недостатков лишены пакетные сети, в частности, Ethernet. Ethernet более эффективно использует имеющуюся полосу пропускания и является простым и дешевым решением для передачи данных.

Однако городские сети традиционно базируются на оптоволоконном кольце, а технология Ethernet, оптимизированная для соединений точка-точка и топологии типа звезда, не обеспечивает требуемых характеристик.

Технология Ethernet значительно опережает SDH в части эффективности использования каналов связи при передаче данных в сетях "точка-точка" и в ячеистых инфраструктурах.

Но изначально протокол Ethernet не предназначался ни для кольцевых сетей, ни для передачи трафика реального времени, скажем речи и видео.

При обрыве волокна механизмы Ethernet восстановят связь, но на это уйдет много времени (30 с), что совершенно не приемлемо для сервис-провайдеров.

Технология не имеет эффективных алгоритмов для обеспечения равноправного использования ресурсов кольца всеми пользователями.

Из приведенного выше краткого анализа видно, что ни SDH, ни Ethernet не являются идеальными решениями для управления трафиком в сетях с кольцевой топологией.

Рисунок 7.2

Недостатком сетей Ethernet является невозможность обеспечить для узлов равноправие при распределении ресурсов в глобальных масштабах. Например, цепочка последовательно соединенных коммутаторов Ethernet подключена к Internet через один выходной порт, находящийся в коммутаторе A. Пусть каждый из узлов пытается направить в Internet трафик со скоростью 2 Gbps. Тогда, в типичном случае, для узла А будет выделена полоса пропускания 1 Gbps, для B – 500 Mbps, а для С и D – всего по 250 Mbps каждому. Вместе с увеличением числа узлов в цепочке будет расти и "неравноправие". Одно из решений этой проблемы заключается в ограничении предоставляемой полосы пропускания для каждого узла на уровне каналов. Например, можно ограничить входной трафик для узла значением 500 Mbps. Однако ограничение на уровне каналов не транслируется на уровень глобальной политики и создает проблемы эффективного использования полосы пропускания для механизма best efforts, согласно которому оборудование IP-коммутации старается доставить данные как можно быстрее.

Для обеспечения Ethernet-подключений новых зданий к городским сетям (MAN) провайдеры сетевых услуг обычно используют «темное» оптоволокно. Основным преимуществом такого доступа является высокая скорость и большие расстояния – до 100 км без промежуточного усиления и регенерации при потенциально неограниченной пропускной способности. Технология Гигабитный Ethernet (1 и 10 Гбит/с) стала привлекательной с точки зрения соотношения цена/производительность и удачным выбором для магистральных приложений не только в выделенных корпоративных сетях, но и для построения операторских сетей Metro Ethernet.

Провайдер услуг, ориентирующийся на широкополосный доступ, имеет возможность продавать подключение к Интернет напрямую отдельным пользователям и организациям малого бизнеса. Выступая в роли провайдера услуг Интернет (ISP) в пределах города, он может предлагать новые комплексные услуги с добавленной стоимостью.

8 Лекция. Протоколы «покрывающего дерева»

Цель лекции: изучить протокол связующего дерева STP

Содержание лекции:

- пакеты BPDU (Bridge Protocol Data Unit).

- отказоустойчивое пакетное кольцо RPR (Resilient Packet Ring).

- технология динамического транспорта пакетов DPT (Dynamic Packet Transport).

Сети Ethernet просты и дешевы, но основным препятствием для их организации является необходимость использования той или иной модификации протокола Spanning Tree (STP) - «покрывающего дерева» с целью поддержки свободной от петель топологии. Время сходимости для достаточно большой сети составляет 30 с., что в десятки раз превышает аналогичный показатель для сетей SDH (50 мс) и существенно ограничивает перечень и характеристики услуг соответствующей сети.

Исключение зацикливания. Для предотвращения подобных ситуаций был создан специальный протокол Spanning Tree Protocol (STP). Основной задачей STP является приведение сети Ethernet с множественными связями к древовидной топологии, исключающей циклы пакетов. Происходит это путем автоматического блокирования ненужных в данный момент для полной связности портов.

Протокол STP был разработан в 1993 г. фирмой Digital Equipment Corporation, а впоследствии опубликован комитетом IEEE 802 в виде спецификации IEEE 802.1d. Основная цель разработки протокола заключалась в устранении логических и физических петель в сетях, построенных с использованием мостов. Кроме того, протокол автоматически переконфигурирует сетевую топологию в случаях обрывов линий связи или аппаратных ошибок оборудования, однако время восстановления 0,5 – 30 сек.

Алгоритм Spanning Tree (STA) позволяет коммутаторам автоматически с использованием обмена служебными пакетами определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединения портов между собой. Такая конфигурация называется «покрывающим деревом» STP.

Алгоритм работы STP.

1. В сети определяется или выбирается один корневой коммутатор (Root Bridge), от которого строится дерево. Корневой порт имеет кратчайшее из всех портов данного моста расстояние до корневого моста (точнее, до любого из портов корневого моста).

2. Далее каждый отличный от корневого коммутатор просчитывает кратчайший путь к корневому. Соответствующий порт называется корневым портом (Root Port). Расстояние до корня (root path cost) определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта данного моста до порта корневого моста. Условное время сегмента (designated cost) рассчитывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10-наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам. Алгоритм STР не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к мостам, соединяющим сети различных технологий.

3. Для каждого логического сегмента сети выбирается так называемый назначенный мост (designated bridge).

Один из портов которого будет принимать пакеты от сегмента и передавать их в направлении корневого моста через корневой порт данного моста, а также принимать пакеты для данного сегмента, пришедшие на корневой порт со стороны корневого моста. Такой порт называется назначенным портом. Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту.

Назначенный порт у сегмента может быть только один. У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта корневого моста нет.

4. Можно доказать, что если определить каким-либо образом корневой мост, то, зная пропускную способность каждого сегмента и связи между портами мостов и сегментов, можно однозначно определить по расстоянию до корня корневые порты мостов и назначенные порты сегментов, и если все остальные порты мостов, кроме корневых и назначенных, заблокировать, то получится дерево без петель.

На всех коммутаторах блокируются все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Для того, чтобы мосты могли идентифицировать себя и своих ближних и дальних соседей по сети, каждой мост, поддерживающий STA, имеет уникальный идентификатор. Этот идентификатор состоит из двух частей.

Младшую часть составляет MAC-адрес моста, имеющий длину 6 байтов (не отдельного порта моста, а всего моста в целом, порты мостов MAC-адресов не имеют).

Старшая часть, имеющая длину 2 байта, является приоритетом данного моста, и его может изменять администратор сети по своему усмотрению. MAC-адрес устанавливается производителем для обеспечения его всемирной уникальности.

Идентификатор моста играет определяющую роль при выборе корневого моста. Приоритет имеет преимущественное значение в выборе - корневым выбирается мост, имеющий наименьшее значение идентификатора, а так как поле приоритета находится в старших разрядах, то его значение подавляет значение MAC-адреса. Если же администратор назначил всем мостам равный приоритет (то есть не захотел влиять на выбор корневого моста), то корневым будет выбран мост с наименьшим значением MAC-адреса. Идентификатор порта используется при выборе корневого и назначенного порта моста – если несколько портов имеют одинаковое расстояние до корня, то выбирается тот порт, идентификатор которого меньше. Аналогично случаю с идентификатором моста, приоритет порта может быть задан администратором для того, чтобы данный порт получил преимущество перед другими. Блокированный порт (Blocking) принимает и обрабатывает только пакеты BPDU. Все остальные отбрасываются.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все мосты сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста - BPDU (Bridge Protocol Data Unit).

Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet. Все мосты должны поддерживать общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, передаются одновременно всем мостам сети.

Для функционирования протокола STP коммутаторы должны иметь возможность обмениваться информацией. Это достигается с помощью Ethernet пакетов Bridge Protocol Data Unit (BPDU), помещаемых внутрь передаваемых по сети кадров канального уровня. Протокол BPDU обеспечивает обмен информацией между коммутаторами в сети.

Для своей работы STP строит граф, называемый также «деревом», создание которого начинается с корня (root). Корнем становится одно из STP-совместимых устройств, выигравшее выборы. Каждое STP-совместимое устройство (коммутатор, маршрутизатор или др.) при включении считает, что оно является корнем. При этом оно периодически посылает на все свои порты специальные блоки данных – Bridge Protocol Data Units (BPDU). Адрес получателя в пакетах, несущих BPDU, является групповым, что обеспечивает его пропуск неинтеллектуальным оборудованием.

Время приветствия (Hello Time) характеризует интервал, через который посылаются пакеты BPDU.

STP управляет топологией путем изменения состояния портов, которое может принимать следующие значения: блокирование (Blocking), прослушивание (Listening), обучение (Learning), коммутация (Forwarding), отключен (Disable). Блокированный порт (Blocking).  При инициализации коммутатора все порты (за исключением отключенных) автоматически переводятся в состояние "Заблокирован". В этом случае порт генерирует, принимает, обрабатывает и ретранслирует только пакеты BPDU. Все остальные пакеты не передаются. Отключен (disabled) - порт не участвует ни в каких операциях, и может быть выведен из этого состояния только с помощью протокола управления мостом (по сети или локально). Заблокирован (blocked) - конфигурационные BPDU принимаются, обрабатываются и передаются. Прослушивание (listening) - конфигурационные BPDU принимаются, обрабатываются и передаются. Обучение (learning) - порт принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает и обрабатывает информационные кадры канального протокола (строит адресную таблицу).

Трансляция (forwarding) - порт участвует во всех операциях моста - принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает, обрабатывает и передает информационные кадры канального протокола. Состояние прослушивания (Listening) является промежуточным между блокированием и обучением. В начальный момент работы алгоритма STР порты коммутатора переходят в состояние "Прослушивание". В этот момент пакеты BPDU от других коммутаторов еще не получены и коммутатор считает себя корневым, а все свои порты - назначенными. В том режиме порт может находится до истечения таймера смены состояний (Forwarding Timer). Интервал, выдерживаемый с помощью таймера может изменяться от 4 до 30 с. и нужен он для получения BPDU от всех коммутаторов сети. В этом режиме порт продолжает генерировать, принимать, обрабатывать и ретранслировать BPDU. Если в течение этого времени порт получит BPDU с лучшими параметрами, чем собственные (расстояние, идентификатор коммутатора или порта), то он перейдет в состояние "Заблокирован". В противном случае порт переводится в состояние "Обучение". Порт в режиме обучения (Learning) начинает принимать все пакеты и на основе MAC адресов источников строить таблицу коммутации. Однако коммутация (продвижение) на данном этапе не производится. Порт продолжает участвовать в работе алгоритма STР, и при поступлении BPDU с лучшими параметрами переходит в состояние Blocking "Заблокирован". Режим коммутации (Forwarding) является штатным режимом продвижения всех пакетов. Только после двукратной выдержки по таймеру порт переходит в состояние Продвижение и обрабатывает пакеты данных в соответствии с построенной таблицей. Disable - Отключен - в это состояние порт переводит администратор. Отключенный порт не участвует ни в работе протокола STP, ни в продвижении пакетов данных. Порт можно также вручную включить и он сначала перейдет в состояние Blocking.

Развитие IEEE 802.1d Spanning Tree Protocol STP.

IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP Rapid STP (RSTP) характеризуется значительными усовершенствованиями STP, среди которых необходимо отметить уменьшение времени сходимости и более высокую устойчивость. IEEE 802.1х Per Vlan STP (PVSTP) в соответствии с названием расширяет функционал STP для использования Vlan. В рамках данного протокола в каждом Vlan работает отдельный экземпляр STP. IEEE 802.1s Multiple Spanning Tree Protocol, MSTP является наиболее современной реализацией STP, учитывающей все достоинства и недостатки предыдущих решений. Данный протокол предполагает конфигурирование необходимого количества экземпляров STP в не зависимости от числа Vlan на коммутаторе (в отличие от PVSTP, в котором число STP процессов равно числу Vlan) и вхождение Vlan в нужный STP экземпляр. В один экземпляр MST могут входить несколько виртуальных сетей.

9 Лекция. Технология MPLS

Содержание лекции:

-    основные понятия и термины;

-    особенности технологии MPLS;

-    принципы коммутации по меткам в MPLS – сети;

-    структура и стек меток MPLS;

-    инкапсуляция метки.  Класс эквивалентности пересылки FEC.

Привязка и распределение меток. Протокол распределения меток LDP (Label Distribution Protocol).

Понятие потока используется при решении различных сетевых задач. В зависимости от конкретного случая, определяется соответствующий набор признаков. В задаче коммутации, суть которой – передача данных из одного конечного узла в другой, при определении потоков в роли обязательных признаков потока должны выступать адрес отправителя и адрес назначения данных. Тогда каждой паре конечных узлов будет соответствовать один поток и один маршрут. Однако не всегда достаточно определить поток только парой адресов. Существует особый тип признака – метка потока.

Метка может иметь глобальное значение, уникально определяющее поток в пределах сети. В таком случае она в неизменном виде закрепляется за потоком на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла назначения.

ФОРМАТЫ МЕТОК. Рабочая группа IETF MPLS решила, что всегда, когда возможно, MPLS должна задействовать имеющиеся форматы меток. По этой причине MPLS поддерживает три различных типа меток: на оборудовании ATM она использует метки идентификаторов виртуального канала (Virtual Circuit Identifier, VCI) и виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI); на оборудовании frame relay — метку идентификатора соединения канального уровня (Data Link Connection Identifier, DLCI); во всех остальных случаях MPLS использует новую общую метку, называемую прокладкой (Shim), которая вставляется между вторым и третьим уровнями.

MPLS позволяет создавать новые форматы меток без изменения протоколов маршрутизации, поэтому распространение технологии на вновь появляющиеся виды оптического транспорта, такие, как плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) и оптическая коммутация, будет представлять собой относительно простую задачу.

MPLS-совместимый маршрутизатор, также называемый маршрутизатором с коммутацией меток (Label Switching Router, LSR), должен уметь принимать пакет со вставленной меткой на любом своем интерфейсе, отыскивать ее в таблице коммутации, вставлять новую метку в соответствующем формате и затем отправлять пакет через соответствующий интерфейс. Другими словами, LSR может коммутировать пакет с меткой с любого интерфейса на любой другой интерфейс с заменой метки. Этот подход гораздо гибче, чем в случае ATM, так как он не ограничен исключительно каналами передачи ячеек.

MPLS поддерживает произвольное число меток в стеке меток, где самая нижняя метка содержит специальный бит, идентифицирующий ее как нижнюю метку стека. В ATM или frame relay собственные метки этих протоколов занимают одну или две верхние позиции, в то время как общие метки Shim занимают все последующие. В каналах PPP, локальных сетях метки Shim используются на всех уровнях.

Благодаря тому, что MPLS позволяет иметь стеки с любым числом меток, она может поддерживать такие приложения, как VPN через туннель или вложенные туннели. Для сравнения, ATM предусматривает только два уровня меток — VPI и VCI.

После задания последовательности меток или каналов, называемой путем коммутации меток (Label-Switched Path, LSP) или туннелем MPLS, маршрутизатор LSR может быстро коммутировать трафик. Кроме того, он способен обеспечивать резервирование и приоритетное выделение пропускной способности, контроль, управление и формирование трафика, туннелирование и качество обслуживания для практически любого типа интерфейса на пути через любую последовательность интерфейсов.

Ввиду независимости потока трафика от протоколов управления, используемых для прокладки туннеля MPLS, коммутация меток позволяет впоследствии поддерживать еще не определенные на данный момент протоколы маршрутизации, такие, как новые разновидности многоадресных данных с регулированием трафика, без изменения базового оборудования переадресации.

ПУТЬ КОММУТАЦИИ МЕТОК. После открытия туннеля LSP маршрутизатор на границе домена MPLS (Label Edge Router, LER) направляет трафик вдоль LSP посредством выполнения одной операции маршрутизации. Следующий транзитный пункт к адресату определяется на основании первой метки и канала LSP.

Операция маршрутизации может быть простой или сложной, но она выполняется только однажды, в начале LSP. Это означает, что любые правила, которые LER использует для принятия решения о том, какой трафик следует направлять на LSP, должны быть реализованы только на этом LER. Маршрутизаторы LSR внутри домена MPLS ничего не знают о сложностях классификации и отображения трафика на границе домена MPLS, и поэтому им не требуется никаких дополнительных мер и аппаратного или программного обеспечения для выполнения требований LER.

MPLS использует классы эквивалентной переадресации (Forwarding Equivalence Class, FEC), благодаря которым протокол может отображать трафик на LSP несколькими способами. Два пакета считаются принадлежащими к одному и тому же классу FEC, если они помещаются на один и тот же путь LSP. MPLS поддерживает отображения в соответствии с префиксами IP-адреса произвольной длины или полными 32-разрядными IP-адресами хостов. Более сложные преобразования позволяют осуществлять протоколы управления с явным образом задаваемой маршрутизацией, такие, как маршрутизируемый протокол распространения меток с маршрутизацией с учетом ограничений (Constraint-based Routed Label Distribution Protocol, CR-LDP) и расширенный протокол RSVP (Extended RSVP). Это достигается за счет того, что отображения осуществляются локально внутри маршрутизатора или коммутатора и поэтому могут не приниматься во внимание другими маршрутизаторами или коммутаторами вдоль контролируемого пути.

ОТКРЫТИЕ СЕАНСА. В случае протокола распространения меток (Label Distribution Protocol, LDP) и CR-LDP все начинается с обнаружения соседей с помощью пакета приветствия UDP. Получив такой пакет, протокол LDP/CR-LDP на другом устройстве посылает в ответ пакет приветствия UDP; в этот момент стороны открывают между собой коммуникационный канал TCP/IP для обслуживания данного конкретного пространства меток. Затем два соседа обмениваются информацией для инициализации, в том числе о желательной версии протокола, режимах функционирования, продолжительности тайм-аутов, диапазонах меток и поддерживаемых типах.

После того как обе стороны согласятся об общем подмножестве функциональных параметров, пространство меток считается готовым к использованию, и процедура назначения меток может быть начата. При отсутствии другого контрольного трафика по соединению TCP/IP время от времени передаются специальные пакеты в целях подтверждения его работоспособности. Если после получения последнего контрольного сообщения проходит слишком много времени, то соединение разрывается. При обнаружении сбоя (тайм-аута или ошибки на втором уровне) LDP высвобождает все выделенные метки и отправляет соответствующие сообщения соседним LSR, чтобы они могли разорвать свои сеансы.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАФИКА. Одна из серьезнейших проблем Internet — контроль трафика в целях оптимального использования ресурсов. Стандартные протоколы маршрутизации IP предоставляют скудную — если вообще какую-либо — информацию о доступной пропускной способности или о загруженности сети. Другая проблема состоит в том, что сети IP не имеют никаких механизмов для задания приоритетов трафика, когда пропускной способности не хватает.

По этой и другим причинам в качестве сетевой магистрали многие провайдеры услуг Internet используют ATM. Однако MPLS имеет сравнимые, если не лучшие, функции регулирования трафика посредством LSP, благодаря которым потоки трафика могут отображаться на сеть таким образом, чтобы каждое приложение получало необходимое ему качество обслуживания.

В сетях многих операторов IP накладывается на ATM, для чего требуются новый адресный план на базе узлов доступа к сетевым сервисам (Network Service Access Point) и введение множества постоянных виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuit, PVC) через облако ATM. Что касается маршрутизаторов, то для них облака ATM как бы не существует — они просто воспринимают его как средство соединения с другими маршрутизаторами. Несмотря на множество преимуществ такого подхода, MPLS идет еще дальше.

MPLS предполагает наделение устройств ATM функциями маршрутизаторов и, таким образом, по сути, превращает их в маршрутизаторы, осуществляющие также коммутацию. Такие устройства называются ATM LSR. Мы вполне можем ожидать появления и других MPLS-совместимых мультисервисных коммутаторов, так как MPLS помимо ATM поддерживает и другие интерфейсы, в том числе frame relay, Ethernet и PPP. Эти устройства смогут сосуществовать со специализированными ATM LSR и тем самым обеспечить плавный переход от наложенных сетей поверх ATM. Имеющиеся устройства ATM могут быть дополнены MPLS, в результате чего другие мультисервисные устройства смогут взаимодействовать как маршрутизаторы и коммутаторы с использованием одного адресного плана на базе IP.

Во время перехода к MPLS сетевые технологии и адресацию ATM ликвидировать не потребуется. Наоборот, две системы могут сосуществовать на одних и тех же интерфейсах при использовании простой политики выделения виртуальных каналов (Virtual Circuit, VC). В частности, свободный пул VC с политикой по принципу «первым пришел, первым обслужен» вполне подойдет, но механизмы могут быть и более сложными, например, обеспечивать справедливое распределение пулов виртуальных канальных соединений (Virtual Channel Connection, VCC) и пропускной способности. Возможно, что PNNI будет интегрирован с LDP/CR-LDP; разговоры ведутся даже о предоставлении сервисов ATM и frame relay на основе MPLS.

РАЗВЕРТЫВАНИЕ MPLS. MPLS базируется на IP, поэтому его внедрение должно быть не сложнее, чем любого другого протокола на базе IP. Однако здесь надо учитывать несколько важных моментов. В частности, очевидно, что каждый маршрутизатор вдоль пути LSP должен поддерживать протокол MPLS, используемый для открытия туннеля MPLS.

В идеале программное и аппаратное обеспечение MPLS будет реализовываться в центральной части сети и распространяться вовне или, в качестве варианта, вдоль предпочтительного маршрута первого LSP и в стороны от него. Скорее всего, однако, программное обеспечение MPLS будет вначале устанавливаться на высокоскоростных коммутаторах ATM, уже имеющихся в большинстве наложенных сетей. Для этого коммутаторы ATM должны будут функционировать в качестве маршрутизаторов еще до того, как MPLS будет активизирован. Постепенно, с появлением новых высокоскоростных маршрутизаторов с поддержкой MPLS на других интерфейсах, коммутирующее ядро можно будет наращивать посредством включения многих других типов каналов и расширять по мере необходимости — не только на те области, где используется ATM.

10 Лекция.  Стек протоколов TCP/IP

Содержание лекции:

-       базовые протоколы (IP, TCP, UDP);

-       инкапсуляции пакетов в стеке TCP/IP;

-       адресация;

-       маршрутизация;

-       фрагментация дейтаграмм. Передача данных.

TCP/IP - собирательное название для набора (стека) сетевых протоколов разных уровней, используемых в Интернет. Особенности TCP/IP:

-         открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;

-         независимость от физической среды передачи;

-         система уникальной адресации;

-         стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.

Рисунок 10.1 - Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP делится на 4 уровня:

-         прикладной;

-         транспортный;

-         межсетевой;

-         физический и канальный.

Данные передаются в пакетах. Пакеты имеют заголовок и окончание, которые содержат служебную информацию. Данные,  более верхних уровней, вставляются в пакеты нижних уровней.

Рисунок  10.2 -  Пример инкапсуляции пакетов в стеке TCP/IP

Физический и канальный уровень.

Стек TCP/IP не подразумевает использования каких-либо определенных протоколов уровня доступа к среде передачи и физических сред передачи данных. От уровня доступа к среде передачи требуется наличие интерфейса с модулем IP, обеспечивающего передачу IP-пакетов. Также требуется обеспечить преобразование IP-адреса узла сети, на который передается IP-пакет, в MAC-адрес. Часто в качестве уровня доступа к среде передачи могут выступать целые протокольные стеки, тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX, IP поверх X.25 и т.п.

Межсетевой уровень и протокол IP.

Основу этого уровня составляет IP-протокол. IP (Internet Protocol) – интернет протокол. Основные задачи:

-         адресация;

-         маршрутизация;

-         фрагментация датаграмм;

-         передача данных.

Протокол IP доставляет блоки данных от одного IP-адреса к другому.

 Программа, реализующая функции того или иного протокола, часто называется модулем.

Когда модуль IP получает IP-пакет с нижнего уровня, он проверяет IP-адрес назначения:

-         если IP-пакет адресован данному компьютеру, то данные из него передаются на обработку модулю вышестоящего уровня (какому конкретно - указано в заголовке IP-пакета);

-         если же адрес назначения IP-пакета - чужой, то модуль IP может принять два решения: первое - уничтожить IP-пакет, второе - отправить его дальше к месту назначения, определив маршрут следования - так поступают маршрутизаторы.

Также может потребоваться, на границе сетей с различными характеристиками, разбить IP-пакет на фрагменты (фрагментация), а потом собрать в единое целое на компьютере-получателе.

Если модуль IP по какой-либо причине не может доставить IP-пакет, он уничтожается. При этом модуль IP может отправить компьютеру-источнику этого IP-пакета уведомление об ошибке; такие уведомления отправляются с помощью протокола ICMP, являющегося неотъемлемой частью модуля IP. Больше никаких средств контроля корректности данных, подтверждения их доставки, обеспечения правильного порядка следования IP-пакетов, предварительного установления соединения между компьютерами протокол IP не имеет. Эта задача возложена на транспортный уровень.

Рисунок 10.3 - Структура дейтограммы IP. Слова по 32 бита

Версия - версия протокола IP (например, 4 или 6)

Длина заг. - длина заголовка IP-пакета.

Тип сервиса (TOS - type of service) - это поле делится на шесть подполей.

Рисунок 10.4

Т а б л и ц а 10.1 - Коды типа сервиса (TOS)

TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP).

Идентификатор дейтаграммы, флаги (3 бита)  и указатель фрагмента - используются для распознавания пакетов, образовавшихся путем  фрагментации исходного пакета.

Время жизни (TTL - time to live) - каждый маршрутизатор уменьшает его на 1, что бы пакеты не блуждали вечно.

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

- локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети. IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов.

- IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение;

- символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

11 Лекция. Маршрутизация в IP – сетях

Цель лекции: изучить принципы маршрутизации в IP-сетях.

Содержание лекции:

- принципы составление таблицы маршрутизации;

- алгоритмы маршрутизации OSPF, RIP, BGP RSVP.

Протокол IP является маршрутизируемый, для его маршрутизации нужна маршрутная информация. Маршрутная информация может быть:

-       статической (маршрутные таблицы прописываются вручную);

-       динамической (маршрутную информацию распространяют специальные протоколы).

Протоколы динамической маршрутизации:

-       RIP (Routing Information Protocol) - протокол передачи маршрутной информации, маршрутизаторы динамически создают маршрутные таблицы;

-       OSPF (Open Shortest Path First) - протокол "Открой кротчайший путь первым", является внутренним протоколом маршрутизации;

-       IGP (Interior Gateway Protocols) - внутренние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию внутри одной автономной системе;

-       EGP (Exterior Gateway Protocols) - внешние протоколы маршрутизации, распространяет маршрутную информацию между автономными системами;

-       BGP (Border Gateway Protocol) - протокол граничных маршрутизаторов.

Протокол ICMP.

ICMP (Internet Control Message Protocol) - расширение протокола IP, позволяет передавать сообщения об ошибке или проверочные сообщения.

Другие служебные IP-протоколы.

IGMP (Internet Group Management Protocol) - позволяет организовать многоадресную рассылку средствами IP.

RSVP (Resource Reservation Protocol) - протокол резервирования ресурсов.

ARP (Address Resolution Protocol) - протокол преобразования IP-адреса и адреса канального уровня.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных между двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные с помощью транспортного уровня, идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта. Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняет номер порта (или проще - порт).

Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу. Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

На транспортном уровне работают два основных протокола: UDP и TCP.

Протокол надежной доставки сообщений TCP

TCP (Transfer Control Protocol) – протокол контроля передачи, протокол TCP применяется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений. Основные особенности:

-         устанавливается соединение;

-         данные передаются сегментами. Модуль TCP нарезает большие сообщения (файлы) на пакеты, каждый из которых передается отдельно, на приемнике наоборот файлы собираются. Для этого нужен порядковый номер (Sequence Number - SN) пакета;

-         посылает запрос на следующий пакет, указывая его номер в поле "Номер подтверждения" (AS). Тем самым, подтверждая получение предыдущего пакета;

-         делает проверку целостности данных, если пакет битый посылает повторный запрос.

Рисунок 11.1 - Структура дейтограммы TCP. Слова по 32 бита.

Длина заголовка - задается словами по 32бита.

Размер окна - количество байт, которые готов принять получатель без подтверждения.

Контрольная сумма - включает псевдозаголовок, заголовок и данные.

Указатель срочности - указывает последний байт срочных данных, на которые надо немедленно реагировать.

URG - флаг срочности, включает поле "Указатель срочности", если равен нулю то поле игнорируется.

ACK - флаг подтверждение, включает поле "Номер подтверждения, если равен нулю, то поле игнорируется.

PSH - флаг требует выполнения операции push, модуль TCP должен срочно передать пакет программе.

RST - флаг прерывания соединения, используется для отказа в соединении.

SYN - флаг синхронизация порядковых номеров, используется при установлении соединения.

FIN - флаг окончание передачи со стороны отправителя.

Алгоритм установки TCP-соединения.

Алгоритм установки соединения:

-         клиент посылает SYN-сегмент (SYN=1), и порядковый номер ISN=J (initial sequence number - первоначальный порядковый номер). Раньше ISN просто приравнивали 0, но сейчас, как правило, это случайное число, это сделано, что бы усложнить атаки с помощью подмены IP-адреса и исключить попадания пакетов с одинаковыми номерами;

-         сервер откликается, посылая свой SYN-сегмент (SYN=1), содержащий свой ISN=K. И AS=ISN +1=J+1;

-         клиент отправляет подтверждение получения SYN-сегмента от сервера с AS=ISN +1=K+1 и SN=J+1;

-         начинается передача данных. При передачи данных в серийном номере. 

Протокол UDP.

UDP (Universal Datagram Protocol) - универсальный протокол передачи данных, более облегченный транспортный протокол, чем TCP. Первая и последняя версия UDP.

Основные отличия от TCP:

-         отсутствует соединение между модулями UDP;

-         не разбивает сообщение для передачи;

-         при потере пакета запрос для повторной передачи не посылается.

UDP используется если не требуется гарантированная доставка пакетов, например, для потокового видео и аудио, DNS (т.к. данные небольших размеров). Если проверка контрольной суммы выявила ошибку или если процесса, подключенного к требуемому порту, не существует, пакет игнорируется (уничтожается). Если пакеты поступают быстрее, чем модуль UDP успевает их обрабатывать, то поступающие пакеты также игнорируются.

Рисунок 11.2 - Структура дейтограммы UDP. Слова по 32 бита.

Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули.

Протокол реального времени RTP

Для управления передачей пакетов с закодированными речевыми сигналами по IP-сети требуется протокол управления каналом. Для этого используются два протокола. Первый – UDP, протокол пользовательских данных, а над ним  в стеке протоколов находится второй – RTP, протокол реального времени, для передачи трафика мультимедийных потоков (стандартного или нестандартного).

RTP поддерживается другим протоколом – протоколом управления реального времени (Real Time Control Protocol, RTCP), который обеспечивает дополнительные отчеты, содержащие информацию о сеансах связи RTP. Обратите  внимание, что ни UDP, ни RTP, протоколы не обеспечивают никаких служб повышения качества (QoS). Эти задачи должны решать сами приложения.

RTCP-протокол обеспечивает обратную связь с отправителями, а получателям потоков он предоставляет службы повышения качества, информацию о пакетах (потери, задержки, “дрожание”) и сквозную информацию о пользователе (приложении или потоке).

12 Лекция. Пакетная передача речевого сигнала

Цель лекции: изучить особенности речевого сигнала и специфику пакетной передачи речи. Особенности голосовых трафиков. Качество передачи речи. Кодеры и вокодеры.

Содержание лекции:

-       способы организации речевой связи;

-       требования к речевым трактам;

-       факторы, влияющие на качество речи.

Способы организации речевой связи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Одним из основных узлов ПО пакетирования речи является вокодер. Вокодер (от англ. voice - голос и coder - кодировщик) представляет собой устройство (или алгоритм), осуществляющее параметрическое компандирование речевого сигнала.

Компандирование - способ преобразования речевого сигнала, при котором на передающем конце тракта происходит сжатие по одному или нескольким измерениям (частотный диапазон, динамический диапазон, временной интервал), а на приёмном - восстановление первоначального объёма сигнала путём соответствующего расширения. Компандирование включает преобразования: компрессию (сжатие) и декомпрессию (восстановление) речевого сигнала.

Преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид обычно осуществляется методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). После такой обработки речевой сигнал уже пригоден для передачи по цифровым каналам. Однако, для передачи такого цифрового потока необходимо выделение полосы пропускания 64 кбит/с (рекомендация ITU G.711), что является явно избыточным.

Существует еще одно преобразование речевого сигнала - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако, для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16—32 кбит/с (стандарт ITU G.726). Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов.

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят при передаче сигнала с резкими скачками амплитуды. Именно такой вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать такие сигналы и обрабатывать их иначе, чем речевой трафик. Преобразование речевого сигнала методом АДИКМ дает хорошее качество воспроизведения речи на скоростях до 32 кбит/c. Уменьшение скорости ведет к существенному ухудшению качества речи. Наиболее эффективными являются вокодеры на основе метода линейного предсказания речи. Вокодеры данного типа работают уже с целыми блоками подготовленных отсчетов.  Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Затем из значений этих параметров формируется речевой кадр, готовый для передачи. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям ЦПОС, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере, рисунок 12.1.

Рисунок 12.1 - Схема функционирования вокодера на основе метода линейного предсказания речи

Более сложные методы сжатия речи основаны на применении метода линейного предсказания речи в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи. На противоположном конце происходит восстановление речевого сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

Требования к речевым трактам

Опыт показывает, что два речевых тракта функционируют в среднем около 3 часов в течение 8-часового рабочего дня, при условии, что 95% абонентов получат доступ с первой попытки; четыре тракта функционируют около 12 часов, и так далее. Условие 95% доступности - достаточно высокий показатель для абонентов сети совместной передачи речи и данных, хотя можно использовать и более высокий процент доступности, однако, возрастающее при этом число трактов отрицательно сказывается на стоимости оборудования. Предыдущие цифры показывают, что трафик IP использует почти в 3 раза большую полосу пропускания чем трафик Frame Relay. Например, в канале 64 Кбит/с сети Frame Relay может быть организовано 64/7,4 = 8 речевых трактов, в отличие от 64/18 = 3 при использовании сети IP. Один из подходов решения данной проблемы требует рассмотрения так называемого "рабочего цикла" речевого тракта. Рабочим циклом называется время использования речевого тракта в течение рабочего дня. В случае, когда тракт не используется, потребление полосы пропускания составляет 0 кбит/с. Рабочий цикл варьируется в зависимости от числа речевых трактов в канале, которое обычно не превышает загрузочный фактор - 95% доступных телефонных номеров.

Принцип последовательной передачи пакетов по каналу связи приводит к тому, что передача длинного пакета с данными может существенно увеличить время ожидания передачи речевого пакета. Например, передача 1500 байтового пакета Ethernet по каналу доступа 56 кбит/с составит более 200 мс. Последствием сегментации пакетов данных является уменьшение эффективности передачи данных. Поскольку есть фиксированный заголовок для каждого пакета, то создание небольших пакетов увеличивает процент служебной информации. Последствия сегментации в сетях Frame Relay менее чувствительны, чем в сетях IP поскольку размер заголовка Frame Relay существенно меньше. В сетях IP эффективность функционирования сети может уменьшиться на 10-15%; в сетях Frame Relay - на 2-4%. При использовании метода VoFR, сегментация пакетов происходит автоматически в VFRAD всякий раз, когда есть речевой вызов. В случае завершения разговора сегментация прекращается. При использовании  VoIP  сегментация пакетов происходит в маршрутизаторе доступа по команде администратора сети или под управлением протокола "шлюз-маршрутизатор", как например, RSVP. При использовании RSVP, устанавливается сеанс RSVP с маршрутизатором, в течении которого маршрутизатор сегментирует пакеты с данными. Поскольку большинство маршрутизаторов и шлюзов VoIP не поддерживают RSVP или аналогичный управляющий протокол, принудительная сегментация, при использовании VoIP, в среднем на 10%-15% снижает эффективность функционирования сети на низкоскоростных каналах, независимо от того, присутствуют или нет телефонные вызовы. Т.о., основными преимуществами VoFR над VoIP являются:

–   более эффективное использование полосы пропускания каналов;

–   меньшие показатели задержек передачи речи;

–   автоматическая сегментация данных.

Факторы, влияющие на качество речи, передаваемой по сетям передачи данных с пакетной коммутацией. Передача телефонного трафика по сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые вытекают из естественных особенностей телефонного разговора.  Основное нежелательное явление - задержка передачи речевого сигнала от одного абонента другому. Задержка вызывает два нежелательных явления - эхо и наложение речи. Под эхом понимается физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифсистему, осуществляющую согласование четырехпроводного и двухпроводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи.

Эхо становится существенной проблемой, если задержка распространения звукового сигнала от источника к приемнику и обратно становится большей 50 мс. В сетях с пакетной коммутацией такая задержка почти всегда выше 50 мс, и в связи с этим должен быть предусмотрен механизм устранения эха. Наложение речи - процесс, при котором речь одного говорящего прослушивается в телефоне другого в тот момент, когда он ведет активный разговор, в отличие от эха, когда абонент прослушивает собственный голос. Согласно рекомендации ITU-T G.114 данная проблема становится существенной, если односторонняя задержка становится большей 150 миллисекунд. Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

а) Задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать ЦПОС такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или по крайней мере равна задержки накопления. Выбор ЦПОС можно сделать на основании данных о сложности применяемого алгоритма кодирования. в) Задержка формирования пакетов. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов). Например, в одном пакете могут быть собраны три речевых кадра полученных в результате преобразования G.729 (30 мс речи). Это приводит к тому, что задержка пакета составит 30 мс, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.

г) Сетевая задержка. Эта задержка возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети каналов и протоколов передачи, а также приемных буферов для удаления джиттера. Данная задержка может занимать существенную часть общей задержки, и в некоторых сетях IP и Frame Relay составляет 70 - 100 мс и больше.

Литература.

1.       Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. Изд-во «БХВ – Санк-Петербург», 2005г.

2.       Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий А.Л. IP – телефония. Изд-во «Радио и связь», М., 2001 г.

3.       Шринивас Вегешна. Качествао обслуживания в сетях IP. Изд-во «Вильямс», Москва,Санк-Петербург, Киев., 2003 г.

4.       Шелухин О.И., Лукьянцев Н.Ф. Цифровая обработка и передача речи. Изд-во «Радио и связь», М., 2000 г.

5.       Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. Изд-во «Мир», 1989г.

6.       Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С.  Вычислительные сети и сетевые протоколы. Изд-во «Мир», 1982г.

7.       Синхронные сети передачи данных, под ред. Шварцмана В.О. Изд-во «Радио и связь», 1988 г.

8.       Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных, т.1,2; Изд-во «Мир» 1986г.

9.       Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. Изд-во «Статистика», 1980г.

10.   Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирования и анализ. 1,2 часть. Изд-во «Наука», 1992г.

Содержание

Введение

1 Лекция. Введение. Телекоммуникационные сети

2 Лекция. Технология локальной вычислительной сети Ethernet

  3 Лекция. Технология X.25

4 Лекция. Технология Frame Relay (FR)

5 Лекция. Концепция сети следующего поколения NGN

6 Лекция. Мультисервисные сети

7 Лекция. Построения транспортной сети MetroEthernet

8 Лекция. Протоколы «покрывающего дерева»

9 Лекция. Технология MPLS

10 Лекция.  Стек протоколов TCP/IP

11 Лекция. Маршрутизация в IP – сетях

12 Лекция. Пакетная передача речевого сигнала

Литература