Общие сведения о сетевых технологиях
Аннотация: Приведены основные элементы и устройства телекоммуникационных сетей, их классификация, описание семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.
1.1. Основы сетевых технологий
Телекоммуникационные сети представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества. Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи на расстояние . Сообщение отображается изменением какого-либо параметра информационного сигнала (электромагнитные сигналы в сетях).
При создании сетей телекоммуникаций невозможно соединить всех абонентов между собой отдельными (выделенными) линиями связи . Это нецелесообразно экономически и невыполнимо практически. Поэтому соединение многочисленных абонентов (А), находящихся на большом расстоянии, обычно производится через транзитные (телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи ( рис. 1.1).
Таким образом, телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов (А) и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи. Узлы ТУ производят коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети на рис. 1.1 при передаче сообщения от абонента А2 абоненту А6 транзитный узел ТУ1 производит коммутацию сообщения с входного интерфейса В на выходной С, транзитный узел ТУ3 – с входного интерфейса В на выходной Е. При этом формируется определенный маршрут, по которому передается сообщение. Процесс формирования маршрута получил название коммутация. Коммутацией также называют передачу (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной.
В некоторых сетях все возможные маршруты уже созданы и необходимо только выбрать наиболее оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил название маршрутизация, а устройство, ее реализующее, – маршрутизатор. Выбор оптимального маршрута узлы производят на основе таблиц маршрутизации (или коммутации) с использованием определенного критерия – метрики.
Таким образом, различают сети с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов , и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов. В сетях с коммутацией каналов канал создается до передачи сообщения .
Эти два вида сетей используются для передачи двух различных видов трафика. Сети с коммутацией каналов обычно передают равномерный (потоковый) трафик – например, телефонные сети . В сетях передачи данных с пульсирующим трафиком применяется коммутация пакетов (сообщений), например, в компьютерных сетях.
Различие коммутации пакетов или сообщений состоит в том, что сообщение может быть очень большим. Поэтому если в нем обнаруживается ошибка, то повторно нужно передавать все сообщения большого объема. В сетях с коммутацией пакетов большое сообщение предварительно разбивается на сравнительно небольшие пакеты ( сегменты ). Поэтому при потере или искажении части сообщения повторно передается только потерянный пакет (сегмент).
В настоящее время в соответствии с концепцией Единой сети электросвязи Российской Федерации создаются сети нового (следующего) поколения ( Next Generation Network – NGN ), в которых все виды трафика передаются по единой сети связи в цифровой форме. Подобные сети также называют мультисервисными ( Internet Multi Service – IMS ), в отличие от ранее существовавших моносервисных сетей.
В сетях NGN обеспечивается слияние ( конвергенция ) всех существующих сетей в единую информационную сеть для передачи мультимедийной информации. Пользователи такой сети должны иметь широкий выбор услуг с гарантированным качеством, что обеспечивается соответствующим уровнем управления, транспортным уровнем и уровнем доступа пользователей к мультисервисной сети ( рис. 1.2).
Транспортный уровень сети NGN создается на базе IP -сетей с распределенной коммутацией пакетов . Доступ к транспортной сети обеспечивается через соответствующие устройства и шлюзы .
Сети следующего поколения NGN обеспечивают широкий набор услуг с гибкими возможностями по их управлению. Телекоммуникационные сети нового поколения используются для передачи различных видов информации: дискретных данных, аудио- и видеоинформации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных и видеоинформации) по единой мультисервисной сети получила название Triple Play.
На рис. 1.3 приведен пример структурной схемы сети телекоммуникаций , в которой пользователи (абоненты) через сети доступа подключаются к магистральной сети , обеспечивающей транспорт сообщений. В ряде случаев абонентам удобно объединяться в локальные сети , функционирующие в рамках ограниченного пространства (аудитория, здание, группа зданий).
Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и получателя сообщения . Различают физические и логические адреса . Логические адреса принадлежат пользователям (абонентам), а физические обычно адресуют соответствующие интерфейсы телекоммуникационных узлов и абонентских устройств.
1.2. Классификация сетей передачи данных
Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях передачи данных , широко применяются при создании сетей NGN. Поэтому в настоящем курсе лекций основное внимание уделено аппаратным и программным средствам вычислительных (компьютерных) сетей, т. е. сетей передачи данных , на базе которых и создаются современные мультисервисные сети. В сетях передачи данных (компьютерных или вычислительных) поток может быть представлен различными информационными единицами: битами, байтами, кадрами, пакетами, ячейками, образующими информационный поток . Сети передачи данных, как правило, относятся к сетям с коммутацией пакетов.
Согласно одной из классификаций сети передачи данных подразделяются на локальные и глобальные ( рис. 1.4). Сеть может размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называется локальной вычислительной сетью – ЛВС ( Local Area Network – LAN ). Основными технологиями локальных вычислительных сетей , которые применяются в настоящее время, являются Ethernet , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet . Другие технологии ЛВС ( Token Ring , 100VG-AnyLAN , FDDI и др.) используются редко.
Совокупность нескольких локальных сетей называют составной, распределенной или глобальной сетью ( Internetwork , Internet ). В составную сеть могут входить подсети ( Subnet ) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои собственные корпоративные сети ( Intranet ), которые используют технологии как глобальных, так и локальных сетей. Таким образом, объединение пользователей, расположенных на широком географическом пространстве, например в разных городах, для совместного использования информационных данных, производится с помощью глобальных вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network – WAN ).
Глобальные сети передачи данных часто классифицируют ( рис. 1.4) на:
- сети с коммутацией каналов ;
- сети, использующие выделенные линии;
- сети с коммутацией пакетов .
Сети с коммутацией каналов и с использованием выделенных линий строят на основе различных сетевых технологий . При этом применяются следующие технологии и линии связи :
- цифровые линии, которые бывают постоянные, арендуемые, а также коммутируемые. В цифровых линиях применяют технологии плезиохронной цифровой иерархии ( Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH ), синхронной цифровой иерархии ( Synchronous Digital Hierarchy – SDH ), а также технологии оптических линий связи спектрального уплотнения по длине волны ( Wave -length Division Multiplexing – WDM, Dense WDM – DWDM );
- цифровые сети интегральных служб с коммутацией каналов ( Integrated Services Digital Network – ISDN );
- цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line – DSL );
- аналоговые выделенные линии и линии с коммутацией каналов ( dialup ) с применением модемов, т. е. аналоговые АТС.
Технологии PDH и SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных. Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до 2,5 Гбит/с и выше. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных достигнуто в системах со спектральным уплотнением по длине волны (технологии WDM и DWDM ) на волоконно-оптических кабелях. Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми цифровыми линиями являются мультиплексоры ( MUX ).
Широкое распространение в настоящее время получили сети с коммутацией пакетов, в которых применяются следующие сетевые технологии :
- сети на основе технологии виртуальных каналов (X.25; сети трансляции кадров FR – Frame Relay ; сети ATM – Asynchronous Transfer Mode);
- сети технологии IP, использующие дейтаграммный метод передачи сообщений.
В сетях с коммутацией пакетов могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях X.25, Frame Relay , ATM , или технологии передачи дейтаграммных сообщений – сети IP в зависимости от предъявляемых требований.
Технологии виртуальных каналов предусматривают предварительное соединение конечных узлов (источника и назначения), при этом прокладывается маршрут ( виртуальный канал ), по которому затем передаются данные. Получение данных подтверждается приемной стороной. Технология X.25 ориентирована на ненадежные аналоговые линии связи , поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 Кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени, например в сетях банкоматов, из-за своей высокой надежности при ненадежных линиях. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных – до 2-4 Мбит/с. Но линии связи должны быть более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155 Мбит/c, 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость .
Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения. Поэтому отдельные части большого сообщения могут передаваться по разным маршрутам, и потеря отдельной части сообщения может остаться незамеченной. Такой метод характеризуется высокой скоростью передачи , но низкой надежностью, поскольку нет подтверждения принятых данных. Высокую надежность обеспечивает протокол управления передачей TCP ( Transmission Control Protocol ). Набор ( стек ) протоколов TCP / IP обеспечивает компромиссное решение по цене, скорости и надежности передачи данных. Поэтому на базе протоколов TCP / IP создается транспортный уровень мультисервисных сетей следующего поколения NGN с распределенной коммутацией пакетов .
Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно развивается в последнее время, – это технология виртуальных частных сетей ( Virtual Private Network – VPN ). Данная технология задействует сеть общего пользования Интернет , в которой формирует защищенные каналы связи с гарантированной полосой пропускания . Таким образом, при экономичности и доступности сети VPN обеспечивают безопасность и качество передаваемых сообщений. Используя VPN , сотрудники фирмы могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной (частной) сети компании через Интернет .