Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
А. Г. МАЛЮТИН
ТЕХНОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
ОМСК 2006
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
––––––––––––––––––––––––
А. Г. Малютин
ТЕХНОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Конспект лекций
Омск 2006
УДК 681.324 (075.8)
ББК 32.988я73
М12
Малютин А. Г. Технологии глобальных сетей: Конспект лекций /
А. Г. Малютин; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 48 с.
В конспекте лекций рассматриваются основные вопросы построения и технологии глобальных вычислительных сетей: аналоговые телефонные сети, технологии цифровой иерархии первичных телефонных сетей, технология ISDN, технологии коммутации пакетов (Frame Relay, ATM), технологии XDSL.
Конспект лекций предназначен для студентов 3-го курса специальности 071900 – «Информационные системы и технологии», изучающих дисциплину «Информационные сети».
Библиогр.: 6 назв. Табл. 4. Рис. 4.
|
Рецензенты: |
канд. физ.-мат. наук, доцент В. В. Коробицын; канд. техн. наук, доцент С. А. Лунев. |
|
© |
Омский гос. университет |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глобальные (территориальные) сети (Wide Area Networks, WAN) – это сети, обеспечивающие передачу информации на значительные расстояния с использованием коммутируемых и выделенных линий или специальных каналов связи. Глобальная сеть объединяет абонентов, находящихся на территории большой страны, разных стран и континентов. Примером является наиболее популярная общественная сеть Internet. Технологии глобальных сетей применяются также при построении корпоративных сетей крупных организаций, например ОАО «РЖД».
Глобальные сети характеризуются не только распределенностью и охватом больших территорий, но и неоднородностью применяемых технологий и протоколов.
В настоящем конспекте лекций рассмотрены основные вопросы построения и технологии глобальных вычислительных сетей, наиболее важные функции глобальных сетей, структура и оборудование глобальной сети, приведена классификация сетей по категориям (магистральные сети, сети доступа), рассмотрены основные подходы к каналообразованию (выделенные каналы, коммутация каналов и пакетов).
Показаны взаимосвязь технологий, основные аспекты функционирования технологий на разных уровнях, виды физических сигналов и линий связи, способы формирования блоков данных канального уровня, организация управления качеством передачи данных, обеспечение безопасности, характер взаимодействия с протоколами верхних уровней, в частности со стеком TCP/IP.
Глобальные сети организуются на оборудовании и линиях связи телекоммуникационных компаний, которые обычно разделяются на операторов сети (network operator), поддерживающих функционирование сети, и поставщиков, или провайдеров (service provider) телекоммуникационных услуг, которые оказывают платные услуги абонентам сети. К операторам относятся также телефонные компании (в этом случае они называются операторами услуг связи, так как в основном ориентируются на рынок голосовой связи, телеграфа и телетайпа). Владелец сети, оператор и провайдер могут быть одной компанией.
Кроме того, глобальная сеть по организационной принадлежности может быть общественной (например, Internet), которая образована сетями независимых операторов, объединенных высокоскоростными магистралями; частной, т. е. принадлежащей какой-нибудь крупной корпорации (например, ОАО «РЖД» или «Транснефть») и используемой для своих внутренних нужд; и корпоративной – вариант частной сети, объединенной с каналами общественной сети. Крупные организации могут использовать все эти варианты для реализации своей распределенной сети (наиболее дорогостоящей является частная сеть), а мелкие в основном подключаются к общественным сетям.
Конкретный абонент может осуществить подключение к какому-либо сетевому ресурсу или другому абоненту путем создания, приобретения или аренды у оператора отдельного (выделенного) канала, по которому будут передаваться данные только самого абонента, или путем использования логических каналов и физических линий связи совместно с другими абонентами. Второй способ, как менее дорогостоящий, наиболее распространен среди потребителей сетевых услуг в общественных сетях, но является ограниченным с точки зрения информационной безопасности.
Основной функцией глобальной сети является оказание транспортных услуг (на уровне трех нижних уровней модели OSI), которые проявляются в способности передавать данные любого типа – от компьютерных до голосовых и видеоданных. Однако принято считать, что услуги глобальной сети в основном ориентированы на компьютерные данные, а передачу речи и изображения к передаче данных не относят. Высокоуровневые услуги глобальных сетей, развивающиеся в последнее время, относят к информационным, которые рассматриваются с точки зрения прикладных сервисов. Наиболее распространенным сервисом является Web-служба, появившаяся в Internet и перешедшая в Intranet (это термин характеризует переход Internet-технологий в корпоративную сеть).
Структура глобальной сети содержит множество связей, образованных абонентскими подключениями, линиями передачи данных и узловым оборудованием, что вызывает аналогию с «паутиной». Физическая реализация линий связи зависит от их функционального назначения, технологии передачи данных, возможностей прокладки линий, стоимости реализации, предпочтений операторов и т. д. Это могут быть проводные линии (например, медные или электропередачи), оптоволокно, радиоканал, оптические линии.
Абонентские подключения представлены компьютерами, серверами и другим терминальным оборудованием, соединяемыми к линиям связи через UNI (User-Network Interface) – интерфейс «пользователь – сеть». Соединение разнородных линий связи и участков сети, а также узлового оборудования и линий связи осуществляется посредством NNI (Network-Network Interface) – интерфейс «сеть – сеть». Абонентскую часть интерфейса UNI обобщенно называют оборудованием, размещаемым на территории абонента глобальной сети (Customer Premises Equipment, CPE), которое объединяет устройства DTE (Data Terminal Equipment) и DCE (Data Circuit terminating Equipment). DTE – это устройства, которые генерируют данные для передачи в глобальной сети (например, сетевые карты компьютеров, порты маршрутизатора или моста локальной сети). Устройства типа DCE сопрягают на физическом уровне DTE с конкретными каналами связи. Например, это аналоговые и цифровые модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN.
Узловое оборудование, выполняющее функции коммутации и маршрутизации, представлено коммутаторами (switch), мостами, которые в этом случае называются удаленными мостами (remote bridges), маршрутизаторами (router) и мультиплексорами (multiplexor). Коммутаторы (они также называются центрами коммутации пакетов (ЦКП) осуществляют ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Маршрутизаторы применяются для передачи данных по маршрутам (при наличии множества соединений) на основании какого-либо протокола сетевого уровня (например, IP или IPX). Мультиплексоры, как правило, осуществляют совмещение разнородных трафиков (например,
«голос – данные»).
Глобальные сети функционируют с использованием технологий выделенных каналов, коммутации каналов и пакетов.
Выделенные (или арендуемые – leased) каналы (линии) арендуются у операторов дальней связи (таких, как «ТрансТелеком») или телефонных
операторов.
Выделенный канал может быть реализован путем аренды отдельного участка сети с поддержкой определенной технологии (например, frame relay) либо непосредственным соединением абонентов (например, локальных сетей) выделенными линиями без какого-либо промежуточного оборудования. Второй вариант, в основном применяемый для реализации частных корпоративных соединений является наиболее простым, но дорогостоящим.
Под коммутацией каналов обычно понимается создание непостоянных соединений в телефонных сетях типа «dial-up access». При этом абонент, подключенный к телефонной сети через специальное терминальное устройство (например, модем), для организации канала выполняет операцию установления соединения путем вызова другого абонента по телефонному номеру. В таких сетях оплата производится не за объем трафика, а за время соединения. Это значительно снижает эффективность таких соединений, особенно при трафике с большими пульсациями, когда между пакетами данных возникают большие паузы. Достоинствами таких технологий являются их распространенность и незначительная стоимость. Принцип коммутации каналов реализован в технологиях аналоговой и цифровой телефонии (PDH и SDH), а также в технологии интеграцией услуг ISDN. Аналоговые телефонные сети имеют низкое качество каналов, значительное время установления соединения (особенно при импульсном способе набора номера). Эти недостатки отсутствуют у цифровых телефонных сетей и ISDN.
Технология коммутации пакетов основана на понятии «виртуальный канал» и обеспечивает эффективную передачу долговременных устойчивых потоков данных. Поток пакетов данных между двумя абонентами в сети организуется в виде коммутируемого (маршрутизируемого) виртуального канала, который может создаваться как временным, так и постоянным. В одной физической среде могут присутствовать потоки различных виртуальных каналов от разных абонентов. Этот подход в основном используется для передачи компьютерного трафика, его отличительной особенностью является наличие в соответствующих технологиях развитого механизма управления качеством передачи данных. Принцип коммутации пакетов реализован в таких технологиях, как Х.25, frame relay, SMDS, АТМ и др.
Глобальные сети делятся на две категории: магистральные сети и сети доступа.
Магистральные сети (backbone wide-area networks) используются для соединений крупных корпоративных пользователей (например, больших локальных сетей, оборудования операторов), как правило, формирующих значительный по объему трафик от большого количества подсетей. Магистральные территориальные сети должны обеспечивать высокую пропускную способность, постоянный доступ (высокий коэффициент готовности) и характеризуются высокой стоимостью услуг. Обычно в качестве таких сетей используются цифровые выделенные каналы с коммутацией пакетов и скоростью передачи от нескольких единиц до сотен мегабит в секунду.
Сети доступа связывают небольшие локальные сети, удаленные компьютеры и иные устройства (банкоматы, кассовые терминалы и т. п.) с более крупными сетями. Сети доступа имеют разветвленную инфраструктуру, низкую пропускную способность и умеренную стоимость. В качестве сетей доступа обычно применяются телефонные аналоговые и цифровые сети и реже – сети frame relay, они обеспечивают скорость передачи до нескольких десятков килобит в секунду. Подключение абонентов к сетям доступа осуществляется соответствующими программно-аппаратными средствами, которые называются средствами удаленного доступа (например, модем). Для множественных корпоративных подключений используется сервер удаленного доступа (Remote Access Server, RAS), который совмещает функции маршрутизатора, моста и шлюза.
Аналоговые телефонные сети (POTS, Plain Old Telephone Service – «обычная телефонная сеть» – или PSTN, Public Switched Telephone Network – «публичная коммутируемая телефонная сеть») в основном предоставляет услуги передачи голоса и реже – данных.
Аналоговые телефонные сети предоставляют абоненту на уровне «последней мили» аналоговый канал (уровень подключения к АТС (автоматической телефонной станции) оператора связи). Внутри АТС и между ними могут применяться как аналоговые магистрали с частотным уплотнением каналов (FDM-технологии), так и цифровые – с разделением канала во времени (TDM-технологии), например, на основе ИКМ-трактов (импульсно-кодовая модуляция). Переключение абонентских линий и магистральных каналов осуществляется коммутаторами, которые не позволяют обеспечить промежуточное хранение данных.
Системы, работающие по методу частотного уплотнения, подразделяются на электромеханические и программно-управляемые электронные. TDM-технологии полностью реализуются электронными цифровыми программно-аппаратными средствами.
Физическая среда аналоговых сетей представлена «последней милей» в виде двух- или четырехпроводной линии и магистралями до распределительных шкафов и межстанционных – как правило, подземный 50 – 100-парный медный кабель или волоконно-оптическая линия связи для ИКМ-трактов (ВОЛС, пропускная способность – 128 Мбит/с, 64 ИКМ-тракта) или двухпарный медный кабель (пропускная способность – 2 Мбит/с, 1 ИКМ-тракт).
Проблема «последней мили» была всегда, но на разных этапах развития телефонных сетей она бывает разной. Понятие «последняя миля» включает в себя все технологии, кабельные системы и строительные сооружения, с помощью которых сеть доводится до абонента от своего станционного оборудования (АТС, кросс). В данном случае на фоне реорганизованных межстанционных магистралей и высококачественных электронных АТС проблема «последней мили» делится на две составляющие: во-первых, низкокачественная абонентская проводка и многопарные магистрали распределительных шкафов, подверженные перекрестным помехам и воздействиям окружающей среды, во-вторых, использование в абонентской проводке аналоговых сигналов, а во внутристанционном оборудовании цифровых усложняет схемы абонентских комплектов и понижает эффективность соединения.
«Последняя миля» часто используется для реализации ненагруженных выделенных линий удаленного доступа между зданиями. Ненагруженными они являются потому, что не проходят через аппаратуру АТС, а кроссируются в распределительных шкафах корпоративных абонентов. Как правило, такие линии обладают достаточно широкой полосой пропускания (до 1 МГц), что позволяет передавать импульсные немодулированные сигналы. Выделенные аналоговые каналы могут быть как двух- так и четырехпроводными, в последнем случае упрощается организация полнодуплексной связи.
Нагруженные линии, проходящие через оборудование частотного уплотнения (FDM-коммутаторы и мультиплексоры), предоставляются в аренду телефонными компаниями для реализации другого варианта выделенных каналов. Как правило, это канал тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц или широкополосный канал с полосой 48 кГц (от 60 до 108 кГц), который представляет собой базовую группу из 12 каналов тональной частоты. Так как широкополосный канал используется для связи АТС друг с другом, то получение его в аренду более проблематично, чем канала тональной частоты. Выделенные нагруженные каналы также классифицируются на категории в зависимости от их качества.
В отличие от выделенных каналов коммутируемые каналы организуются с участием всех элементов телефонной сети и предполагают операцию стандартного вызова абонента по телефонному номеру. Вызов абонента может осуществляться с помощью импульсного набора с частотой 10 Гц или тонового набора. При импульсном наборе длительность набора зависит от цифры номера – например, цифра 0 передается десятью последовательными импульсами, цифра 9 – девятью и т. д. При тоновом наборе любая цифра передается подачей в сеть двух синусоидальных сигналов разной частоты в течение 50 мс (сопровождаемых паузой 50 мс). Поэтому набор номера тоновым способом осуществляется в среднем в пять раз быстрее, чем импульсный.
Для реализации выделенных и коммутируемых каналов на стороне абонентов применяются различного вида модемы.
Модемы используются для преобразования дискретных сигналов в аналоговые (и наоборот) посредством процесса модуляции/демодуляции. Первый модем Bell Dataphone 103, скорость передачи которого составляла 300 бит/с, появился в 1958 г.
Функции современных модемов выполняются на физическом и канальном уровнях. Физический уровень выполняет три основные функции: установление и разъединение соединений, преобразование сигналов и реализацию интерфейса. Предварительное соединение и последующее разъединение относятся только к коммутируемым каналам. Кроме физического подключения взаимодействующие модемы могут также «договариваться» об устраивающем их обоих режиме работы, т. е. о способе модуляции, скорости передачи, режимах исправления ошибок и сжатия данных и т. д. После установления соединения управление передается канальному уровню.
Преобразование в аналоговый либо дискретный сигнал реализуется так называемым стыком, зависящим от среды, который может соответствовать одному из гостированных канальных стыков С1. Примерами таких стыков С1 могут быть: С1-ТФ (ГОСТ 23504-79, 25007-81, 26557-85) – для коммутируемых каналов, С1-ТЧ (ГОСТ 23475-79, 23504-79, 23578-79, 25007-81, 26557-85) – для выделенных каналов тональной частоты, С1-ФЛ (ГОСТ 24174-80, 26532-85) – для физических линий связи и др. Реализация интерфейса между DTE и DCE регламентируется соответствующими рекомендациями и стандартами, к которым, в частности, относятся V. 24, RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V. 35 и др. Такие интерфейсы определяются отечественными стандартами как преобразовательные стыки С2 или стыки, не зависящие от среды.
Канальный уровень реализует следующие основные функции:
формирование из передаваемой последовательности бит блоков данных определенного размера для их дальнейшего размещения в информационном поле кадров, которые и передаются по каналу;
кодирование содержимого кадра помехоустойчивым кодом (как правило, с обнаружением ошибок) с целью повышения достоверности передачи данных;
восстановление исходной последовательности данных на приемной
стороне;
обеспечение кодонезависимой передачи данных с целью реализации для пользователя (или прикладных процессов) возможности произвольного выбора кода представления данных;
управление потоком данных на уровне канала, т. е. темпа их выдачи в DTE получателя;
устранение последствий потерь, искажений или дублирования передаваемых в канале кадров.
Большая часть этих функций реализуется протоколом HDLC (High Level Data Link Control). Управление потоком реализовано в протоколах передачи файлов, таких как Xmodem, Zmodem и др.
Наиболее распространены три разновидности протокола Xmodem: оригинальный протокол Xmodem, Xmodem c CRC и 1K Xmodem. Оригинальный протокол Xmodem разработал Вард Кристенсен (Ward Christensen) в 1977 г. При передаче файлов с помощью протоколов Xmodem формат данных должен быть следующим: 8-битовые данные, один стоповый бит и отсутствие проверки на четность. Для передачи используется полудуплексный метод, т. е. данные могут передаваться в каждый момент времени только в одном направлении. Xmodem Cheksum передает данные пакетами по 128 байт. Вместе с пакетом передается его контрольная сумма. При получении пакета контрольная сумма вычисляется снова и сравнивается с суммой, вычисленной на передающей машине. Пакет передан без ошибок, если суммы совпадают. Этот метод обеспечивает достаточно хорошую защиту от ошибок. Только один из 256 пакетов может содержать ошибки, даже если контрольная сумма правильная. Более защищенным от ошибок является протокол Xmodem CRC (Cyclic Redundancy Check). Xmodem CRC – протокол с проверкой циклическим избыточным кодом. В нем 8-битовая контрольная сумма заменена на 16-битовый циклический избыточный код. Этот протокол гарантирует вероятность обнаружения ошибок, равную 99,9984 %. Протокол Xmodem CRC также передает данные пакетами по 128 байт. В протоколе 1К Xmodem, если передача идет без ошибок, осуществляется увеличение размера пакета со 128 до 1024 байт. При увеличении числа ошибок размер пакета снова уменьшается. Такое изменение длины пакета позволяет увеличить скорость передачи файлов. В остальном протокол 1K Xmodem совпадает с протоколом Xmodem CRC.
Протокол Zmodem осуществляет передачу данных пакетами по несколько штук во временном окне. При этом принимающий данные модем не передает сигнал подтверждения или сигнал переспроса неправильного пакета, пока не получит все пакеты в окне. Протокол Zmodem так же, как и протокол 1K Xmodem, может изменять длину пакета (блока) от 64 до 1024 байт в зависимости от качества линии. Кроме того, протокол обладает следующей полезной особенностью: если при передаче файла произошел сбой на линии и весь файл не передан, то в следующий раз при передаче этого же файла он автоматически начнет передавать с того же места, где произошел обрыв связи. Таким образом, очень большие файлы могут передаваться по частям. Из всех протоколов верхнего уровня, описанных выше, этот протокол самый быстрый и эффективный.
Соглашения о способе и порядке обмена данными (протокол связи) посредством модемов устанавливаются с помощью стандартов серии V. В течение более 30 лет разработка общемировых стандартов модемной связи входит в круг задач Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (Comite Consultativ International de Telegrahic ef Telephonie, ССITT). Кроме того, используются фирменные протоколы, разрабатываемые отдельными компаниями – производителями модемов (AT&T, Motorolla, U. S. Robotics, ZyXEL и др.).
Все эти стандарты делятся на три основные группы: стандарты, определяющие скорость передачи данных и метод кодирования; стандарты исправления ошибок и сжатия данных (возможна поддержка протоколов на аппаратном уровне и программном (аппаратная реализация более надежна, но и более дорогостоящая).
Кроме того, существуют стандарты, определяющие процедуры диагностики модемов, испытания и измерения параметров каналов связи (V. 51, V. 52, V. 53, V. 54, V. 56), и протоколы согласования параметров связи на этапе ее установления (Handshaking), например V. 8.
Все эти стандарты определяют функционирование и возможности модемов как для выделенных, так и для коммутируемых каналов.
Модемы классифицируются в зависимости от режима работы и абонентского окончания (четырех- или двухпроводное). Дуплексный режим на двухпроводном окончании, как правило, обеспечивается частотным разделением канала. В зависимости от режима работы модемы делятся на три группы:
модемы, поддерживающие только асинхронный режим работы;
поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;
поддерживающие только синхронный режим работы.
Как правило, синхронизация реализуется одним из двух способов, связанных с тем, как работают тактовые генераторы отправителя и получателя: независимо друг от друга (асинхронно) или согласованно (синхронно). Если передаваемые данные составлены из последовательности отдельных символов, то, как правило, каждый символ передается независимо от остальных и получатель синхронизируется вначале каждого получаемого символа. Для такого типа связи обычно используется асинхронная передача. Асинхронный режим передачи используется главным образом тогда, когда передаваемые данные генерируются в случайные моменты времени, например, пользователем. При такой передаче каждый передаваемый символ обрамляется дополнительным стартовым и одним или более стоповыми битами. Если передаваемые данные образуют непрерывную последовательность символов или байтов, то тактовые генераторы отправителя и получателя должны быть синхронизированы в течение длительного промежутка времени. В этом случае используется синхронная передача. Существует два альтернативных метода организации синхронной связи: символьно- или байт-ориентированный и бит-ориентированный. Различие между ними заключается в том, как определяются начало и конец кадра.
Асинхронные модемы обычно поддерживают низкие скорости передачи данных (до 1200 бит/с) и могут работать на двух- и четырехпроводных окончаниях. Они просты и дешевы, так как не требуют высокоточных схем синхронизации сигналов и высокого качества линии. Модемы, работающие в синхронном режиме, могут подключаться только к четырехпроводному окончанию. Универсальные модемы могут работать как по выделенным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы. На выделенных каналах они поддерживают в основном двухпроводное окончание и реже – четырехпроводное.
Одной из основных характеристик, определяемой стандартом, является скорость передачи информации. Существуют следующие основные стандарты скоростей.
Для выделенного канала тональной частоты с четырехпроводным окончанием и синхронной передачей:
V.26 – скорость передачи – 2400 бит/с;
V.27 – 4800;
V.29 – 9600;
V.32 ter – 19 200 бит/с.
Для выделенного синхронного широкополосного канала 60 – 108 кГц:
V.35 – скорость передачи 48 кбит/с;
V.36 – 48 – 72;
V.37 – 96 – 168 кбит/с.
Для асинхронно-синхронных модемов:
V.22 – скорость передачи – до 1200 бит/с (дифференциально фазовая модуляция);
V.22 bis – до 2400 (квадратурная модуляция);
V.26 ter – до 2400;
V.32 – до 9600;
V.32 bis – 14 400;
V.34 – до 28,8;
V.34+ – до 33,6 кбит/с.
Особенностью стандарта V.34 являются процедуры динамической адаптации к изменениям характеристик канала во время обмена информацией, без прекращения и без разрыва установленного соединения. После тестирования линии модем настраивает такие параметры как несущая частота и полоса пропускания, фильтры передатчика, оптимальный уровень сигнала и др. Дуплексный режим передачи обеспечивается не с помощью частотного разделения канала, а с помощью одновременной передачи данных в обоих направлениях с вычитанием передаваемого сигнала из общего сигнала.
Новые стандарты V.90 и V.92 обеспечивают асимметричный обмен данными со скоростью 56 кбит/с из сети и со скоростью 30 – 40 кбит/с в сеть, но только при подключении к цифровым АТС. Поддержка только стандартной скорости (V.34+) от модема к АТС связана в основном с аналого-цифровым преобразованием зашумленного сигнала, которое вносит погрешность квантования. Обратное (цифроаналоговое) преобразование не вносит дополнительного шума, что делает возможным увеличение скорости передачи от АТС
к модему.
Модемы обязаны обмениваться информацией с точностью до байта, и им необходимо защищаться от ошибок связи. Общая форма передачи данных по протоколам с коррекцией ошибок следующая: данные передаются отдельными блоками (пакетами) по 16 – 20000 байт, в зависимости от качества связи. Каждый блок снабжается заголовком, в котором указана проверочная информация, например контрольная сумма блока. Принимающий компьютер самостоятельно подсчитывает контрольную сумму каждого блока и сравнивает ее с контрольной суммой из заголовка блока. Если эти две контрольный суммы совпали, принимающая программа считает, что блок передан без ошибок. В противном случае принимающий компьютер передает передающему запрос на повторную передачу этого блока. Средства, позволяющие выполнить защиту от ошибок, могут быть либо программными, либо аппаратными. Протоколы коррекции ошибок часто интегрируются с протоколами сжатия данных.
Для асинхронных режимов в настоящее время получили наибольшее распространение системы коррекции ошибок, определенные стандартом CCITT V.42 – 1988 г. (при высокой эффективности не требует большой производительности процессора). Этот протокол основан на протоколе MNP4 семейства MNP (Microcom Network Protocols), которые также обеспечивают автоматическую коррекцию ошибок и компрессию передаваемых данных в основном для синхронных режимов. Из них чаще всего применяются протоколы MNP4 и MNP5. Дополнительно к методам MNP4, MNP5 часто использует простой метод сжатия передаваемой информации. Символы, часто встречающиеся в передаваемом блоке, кодируются цепочками битов меньшей длины, чем редко встречающиеся символы. Дополнительно кодируются длинные цепочки одинаковых символов. Обычно при этом текстовые файлы сжимаются до 35 % своей исходной длины. Вместе с 20 % MNP4 это дает повышение эффективности до 50 %. Коррекция ошибок в синхронном режиме работы также реализуется протоколом HDLC, но допустимы и устаревшие протоколы SDLC и BSC
компании IBM.
Третьим, основным свойством модема является сжатие данных. Сжатие данных необходимо для уменьшения времени передачи данных по каналам связи. Сжатие данных может быть как программным, так и аппаратным (что предпочтительнее). В конце 1989 г. комитетом CCITT разработан стандарт V.42 bis для асинхронного режима передачи, который при работе в полудуплексном режиме позволяет сжимать данные в два – три раза; в дуплексном – в 1,5 – 2 раза; V.42 bis включает в качестве метода коррекции ошибок стандарт V.42. Протокол использует метод компрессии, при котором определяется частота появления отдельных символьных строк и происходит их замена на последовательности символов меньшей длины. Модем, поддерживающий протокол сжатия, всегда пытается установить связь со сжатием данных, но если второй модем этот протокол не поддерживает, то и первый перейдет на обычную связь без сжатия. При работе модемов по синхронному интерфейсу наиболее популярными являются протоколы компрессии MNP5 и SDC (Synchronous Data Compression) компании Motorola.
Модемы можно классифицировать и по другим признакам.
С точки зрения используемых для передачи сигналов модемы для выделенных физических линий могут быть разделены на модемы низкого уровня (линейные драйверы), использующие цифровые сигналы, и модемы с «основной полосы» (baseband), в которых применяются методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для телефонных каналов. В модемах первой группы обычно используются цифровые методы биимпульсной передачи, позволяющие формировать импульсные сигналы без постоянной составляющей и часто занимающие более узкую полосу частот, чем исходная цифровая последовательность. В модемах второй группы часто используются различные виды квадратурной амплитудной модуляции, позволяющие радикально сократить требуемую для передачи полосу частот. В результате на одинаковых физических линиях такими модемами может достигаться скорость передачи до 100 кбит/с, в то время как модемы низкого уровня обеспечивают только 19,2 кбит/с.
По функциональному назначению выделяют профессиональные модемы, модем общего назначения (бытовой – для применения в небольших офисах или на дому), факс-модем. Профессиональные модемы для работы в модемных пулах корпоративных сетей отличаются высокой надежностью, способностью устойчиво работать в непрерывном режиме и поддержкой средств удаленного централизованного управления. Помимо чисто коммуникационных функций модема факс-модем позволяет выполнить следующие операции:
планирование во времени передачи данных;
одновременную пересылку нескольких файлов;
ведение журнала регистрации ошибок;
пересылку текстовых документов, подготовленных текстовыми процессорами.
По конструктивному исполнению различают модемный пул (групповые модемы), внутренние, подключаемые, как правило, интерфейсом RS-232 к абонентскому терминалу, и внешние – в виде платы, установленные внутри компьютера. Внутренний модем целесообразно использовать, когда есть ограничения по подключению дополнительных устройств в сеть питания или не требуется использовать модем в различных компьютерах. Кроме того, внутренние модемы дешевле внешних. Недостатки внутреннего модема – необходимость «холодного» перезапуска компьютера при «зависаниях» на линиях, что характерно для отечественных линий связи.
По интеллектуальным возможностям можно выделить модемы:
без системы управления;
поддерживающие набор АТ-команд;
с фирменной системой команд;
с поддержкой команд V. 25bis;
поддерживающие протоколы сетевого управления.
АТ-команды, разработанные фирмой Hayes, позволяют пользователю или прикладному процессу полностью управлять характеристиками модема и параметрами связи. Специализированные модемы для промышленного применения часто имеют фирменную систему команд, отличную от набора АТ-команд. Наиболее распространенным набором команд, позволяющим управлять режимами установления соединения и автовызова, являются команды, рекомендованные стандартом ITU-T V. 25bis. Промышленные модемы часто поддерживают протокол сетевого управления SMNP (Simple Manager Network Protocol).
Модемы, работающие по аналоговым коммутируемым телефонным каналам, должны поддерживать процедуру автовызова абонента. Для реализации функций автовызова в асинхронных модемах обычно используется система компании Hayes (реализованная в начале 80-х гг. в модели Smartmodem). Каждая команда состоит из набора обычных символов, передаваемых модему в стартстопном режиме. Например, для указания набора номера в импульсном режиме необходимо послать модему команду ATDP. Это можно сделать даже вручную, если модем подключен к обычному алфавитно-цифровому терминалу через интерфейс RS-232C. Для синхронных режимов между модемом и DTE используются два стандарта автонабора номера: V.25 и V.25bis. Стандарт V.25 требует, чтобы модем соединялся с DTE дополнительным интерфейсом V.25/RS-366 (25-контактный разъем), а стандарт V.25 bis использует основной интерфейс RS-232C. Интерфейсы V.25 и V.25 bis могут работать и в асинхронном режиме.
Набор команд управления АТ (ATtention – внимание), созданный компанией Hayes Microcomputer Products, – фактический стандарт на управление модемами.
Команды АТ обеспечивают исполнение модемом следующих функций:
установление соединения по коммутируемой сети;
контроль соединения на всех его этапах;
разъединение соединения;
установление и изменение конфигурации модема (скорость, вид модуляции, режим синхронизации и передачи);
управление в режимах работы с защитой от ошибок и сжатия данных;
управление режимом работы цепей стыка и др.
Все команды набора начинаются с префикса AT или at и завершаются знаком CR (Возврат каретки). Набор команд AT, дополненный командами, начинающимися с AT&, называется «расширенным» набором (extended command set), а если дополнительно к этому введены команды AT\ и AT% (обычно служат для управления в режимах с защитой от ошибок и сжатия данных), то такой набор называется «супернабором» (super command set). Набором AT предусмотрена также передача модемом ответов (в буквенном или цифровом виде) об исполнении команд или о состоянии соединения.
Примеры наиболее распространенных команд набора:
набор телефонного номера импульсным методом: необходимо набрать ATDP xxxx, где D – команда модему подключиться к линии для набора вводимого далее номера; P – набор должен выполняться импульсным методом; xxxx – цифры телефонного номера;
ответ на входящий вызов – ATA (модем подключается к линии и выполняет процедуру ответа);
загрузка в модем заводской конфигурации модема – AT&F;
загрузка текущей конфигурации модема в энергонезависимую память – AT&W.
Типовые ответы модема:
OK (команда исполнена),
ERROR (ошибка),
CONNECT XXXX (соединение установлено на скорости ХХХХ).
В настоящее время известно 80 – 100 команд AT, наиболее часто используются в модемах 30 – 40 команд. Команды и ответы набора AT передаются в асинхронном (стартстопном) формате в американском стандартном коде ASCII.
Технология цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy) была стандартизована CCITT в 1972 г. и ANSI – в 1975 г. (международная и американская версии цифровых сетей). Американская версия распространена сегодня кроме США также в Канаде и Японии (с некоторыми различиями), а в Европе применяется международный стандарт.
Технология PDH предназначена для передачи голоса, оцифрованного с частотой 8000 Гц и кодированного с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM). Оцифровка голоса, генерируемого с аналоговых телефонных аппаратов абонентов, осуществляется мультиплексорами, обеспечивающими также объединение нескольких голосовых каналов от разных абонентов в один, что позволяет реализовать иерархию каналов и скоростей.
Иерархия начинается с абонентского канала, образующего цифровой поток данных 64 кбит/с. Далее в американском стандарте вводятся каналы типа Тl = 24х64 кбит/с (1,544 Мбит/с), Т2 = 4Т1 (6,312 Мбит/с Мбит/с) и ТЗ = 7Т2 (44,736 Мбит/с Мбит/с), в международном – El = 30х64 кбит/с (2,048 Мбит/с), E2 = 4Е1 (8,488 Мбит/с) и ЕЗ = 4Е1 (34,368 Мбит/с). Принято обозначать иерархии скоростей в виде DSn (Digital Signal n). Общим для разных стандартов является DS0 = 64 кбит/с, что соответствует одному голосовому каналу.
На практике в основном используются каналы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ.
Технология PDH поддерживает различные виды физических сред: витую пару (абонентского доступа к каналам Т1/Е1 до 1800 м), коаксиальный кабель (Т2/Е2 или четыре канала Т1/Е1) и волоконно-оптический кабель (ТЗ/ЕЗ). Для представления сигналов используется: в каналах Т1 – биполярный потенциальный код B8ZS, El – биполярный потенциальный код HDB3.
В кадре Т1 последовательно передается по одному байту каждого абонента, а после 24 байт вставляется один бит синхронизации. Каждый кадр с помощью битов синхронизации может передаваться асинхронно. При передаче голоса в сетях Т1 все 24 канала являются абонентскими, поэтому управляющая и контрольная информация (номер вызываемого телефонного абонента, сигнал занятости линии, сигнал снятия трубки и т. п.) передается восьмым (наименее значащим) битом замеров. Компьютерные данные передаются только на 23 каналах, а 24-й отводится для служебных целей. Каналы следующих уровней образуются объединением каналов низших с разделением их последовательностью синхронизирующих служебных бит. Аналогично производится каналообразование в международной версии, однако вместо «кражи бита» для служебных целей используются последние 2 байта из 32. Возможно использование (аренда) пользователем нескольких каналов, что приводит к образованию «дробных» (fractional) каналов высшего уровня.
Основной недостаток PDH – необходимость полного демультиплексирования высокоскоростного канала для получения доступа к данным одного низкоскоростного абонентского канала из-за отсутствия полной синхронности потоков данных. Этот недостаток частично устраняется путем централизованной синхронизации сети или посредством «обратной доставки» (back hauling), когда демультиплексирование потока проводится конечным демультиплексором и пользовательские данные возвращаются при их «обратном проходе». Другим существенным недостатком PDH является отсутствие развитых встроенных процедур контроля, поддержки отказоустойчивости и управления сетью. Третий недостаток состоит в слишком низких скоростях иерархии PDH. Эти недостатки устранены в технологии SDH.
Технология Synchronous Digital Hierarchy основана на технологии «Синхронные оптические сети» (Synchronous Optical NETs, SONET), разработанной Bellcore и впервые стандартизованной в 1984 г. Затем эта технология была стандартизована комитетами ETSI и CCITT совместно с ANSI.
SDH может мультиплексировать входные потоки стандарта PDH, образую свою собственную иерархию каналов и скоростей STM-n – Synchronous Transport Module level n. Однако стандарт SONET начинается со скорости 51,84 Мбит/с, а стандарт SDH – со скорости 155,52 Мбит/с, равной утроенной начальной скорости SONET. Основными каналами SDH являются: STM-1 – 155,520 Мбит/с, STM-3 – 466,560, STM-4 – 622,080, STM-6 – 933,120, STM-8 – 1244,160, STM-12 – 1866,240, STM-16 –2488,320 Мбит/с.
Технология основана на полной синхронизации между каналами и устройствами сети, которая обеспечивается наличием центрального пункта распределения синхронизирующих импульсов для всей сети.
Сетевыми устройствами являются SDH:
терминальные устройства, принимающие пользовательские данные от низкоскоростных каналов технологии PDH;
мультиплексоры, принимающие данные от терминальных устройств и мультиплексирующие потоки кадров разных скоростей STM-n в кадры более высокой иерархии;
мультиплексоры «ввода-вывода», осуществляющие для высокоуровневых потоков вставку или удаление пользовательских данных;
цифровые кросс-коннекторы, коммутирующие высокоскоростные потоки данных, образуя магистраль сети SDH;
регенераторы сигналов, используемые для восстановления мощности и формы сигналов.
В SDH предусмотрено четыре варианта соединений физической среды (оптоволокна): точка-точка, линейная цепочка, простое кольцо и сцепленное кольцо. Линейные варианты используются для ответвлений от основного кольца сети. Наиболее распространенная топология – самовосстанавливающееся двойное кольцо или несколько колец с одним резервным.
Стек протоколов SDH состоит из протоколов четырех уровней:
физический уровень (фотонный) осуществляет кодирование (методом NRZ) информации с помощью модуляции света;
уровень секции (секция – непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, который соединяет пару устройств SDH) поддерживает физическую целостность сети;
уровень линии отвечает за передачу данных между двумя мультиплексорами сети и выполняет реконфигурирование линии в случае отказа какого-либо ее элемента;
уровень тракта отвечает за доставку данных между двумя конечными пользователями сети, осуществляя обработку данных пользователей (канал Т1) с преобразованием их в синхронные кадры STM-n.
Кадры данных технологий SONET и SDH, называемые также циклами, по форматам совпадают, начиная с уровня STM-1. Эти кадры обладают избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна
для обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей;
обеспечения отказоустойчивости сети;
поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;
синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.
Кадр STS-1 (его можно представить в виде матрицы) состоит из девяти строк и 90 столбцов, т. е. из 810 байт данных, которые передаются в канале последовательно по байтам. Первые три байта каждой строки представляют собой служебные заголовки. Первые три строки представляют собой заголовок из 9 байт протокола уровня секции, остальные шесть строк составляют заголовок протокола линии. Однобайтовый столбец в теле кадра представляет собой заголовок протокола пути, используемого для указания положения в кадре виртуальных контейнеров, которые переносят потоки данных со скоростью ниже STM-1. Положение виртуальных контейнеров задается указателями, обеспечивающими синхронную передачу байт-кадров с асинхронным характером (например, голосового трафика). Механизм указателей позволяет оптимальным образом разместить в синхронном кадре несколько виртуальных контейнеров разного размера от разных пользователей. В SDH стандартизовано шесть типов виртуальных контейнеров, которые могут образовывать группы контейнеров, а также входить в состав контейнеров более высокого уровня.
Для управления сетью SDH используется протокол SNMP.
ISDN (Integrated Services Data Network – цифровая сеть с интегрированными услугами) – сеть, обеспечивающая полностью цифровые соединения между оконечными устройствами (телефонами, факсами, модемами) для поддержки широкого спектра речевых и информационных услуг, доступ к которым осуществляет с помощью ограниченного набора стандартизированных многофункциональных интерфейсов. Концепция ISDN была разработана в 70-х гг. Bellcore, а сама технология стандартизована CCITT в 1984 г. Первая ISDN-станция была введена в эксплуатацию в 1976 г.
ISDN – это одновременное решение проблемы «последней мили» (скорость ISDN в несколько раз больше, чем в аналоговых каналах) и проблемы потерь на АЦП/ЦАП за счет перехода абонента на цифровой сигнал.
Основные услуги, предоставляемые сетью ISDN:
передача цифровой информации без ограничений;
пакетный режим передачи информации;
телесервис;
телефакс;
телетекст со скоростью до 64 кбит/с;
передача голосовых данных (телефония) среднего (3,1 кГц) и высокого (7 кГц) качества;
видеотекст (удаленный терминал, On-Line службы);
видеотелефония.
Архитектура сети ISDN предусматривает несколько видов служб:
некоммутируемые средства (выделенные цифровые каналы);
коммутируемая телефонная сеть общего пользования;
сеть передачи данных с коммутацией каналов, с коммутацией пакетов, с трансляцией кадров (frame relay);
средства контроля и управления работой сети.
Достоинства ISDN:
увеличение скорости передачи;
ISDN позволяет оперировать одновременно несколькими цифровыми каналами, сигналы от нескольких источников можно комбинировать для передачи по одной линии, причем ISDN предоставляет единый интерфейс для всех источников;
в ISDN реализован принцип единой распределенной телефонной станции. Согласно данному принципу все станции в рамках одной ISDN-сети логически объединены в единую большую станцию и абонентами могут рассматриваться в качестве единого ISDN-комплекса. Использование указанного принципа позволяет оптимизировать нагрузку на каналы связи (например, минимизируя маршруты соединения между абонентами), а также предоставляет ряд услуг, не принятых в аналоговой телефонии (например, введение единого плана
номеров);
практически мгновенное установление соединения, максимальная задержка в ISDN-сети не превышает 30 мс на каждый узел связи;
способность ISDN-станций осуществлять автоматическую маршрутизацию соединений, что особенно важно в случаях, когда между станциями имеется несколько альтернативных путей соединения и необходимо выбрать наиболее оптимальный.
Применение ISDN в корпоративной сети ограничено в основном организацией удаленного доступа и объединением небольших локальных сетей на основании службы коммутации каналов. Служба коммутации пакетов по каналу типа D реализуется редко, что связано с его невысокой скоростью, которая обычно составляет не более 9600 бит/с. Поэтому сети ISDN используются так же, как и аналоговые телефонные сети, но только как более скоростные и надежные.
Пользователю сети ISDN предоставляется стандартный интерфейс, с помощью которого пользователь может запрашивать у сети разнообразные услуги. Пользовательский интерфейс основан на каналах трех типов:
канал передачи данных В (64 кбит/с);
служебный канал D (16 или 64 кбит/с);
канал передачи данных Н (Н0 – 384 кбит/с, Н11 – 1536 или Н12 – 1920 кбит/с).
К основным функциям канала D относятся: передача служебной информации (сигналы вызова, маршрут звонка, номера вызываемого и вызывающего абонентов и т. д.), одновременное обслуживание нескольких В-каналов,
осуществление контроля занятости В-каналов, присвоение каждому абоненту определенного имени (при включении данного абонента в базу данных на ISDN-станции), вывод номера и имени звонящего абонента на экран дисплея ISDN-терминала и многое другое. Канал D включает в себя с первого по третий уровни эталонной модели OSI.
В ISDN-сетях используются два типа интерфейсов: интерфейс базового уровня BRI (Basic Rate Interface), регламентирующий соединение ISDN-станции с абонентом, и интерфейс первичного уровня PRI (Primary Rate Interface), обеспечивающий магистральный канал связи между ISDN-станциями.
BRI инкапсулирует два B канала данных и один канал D, используемый для служебных функций (поэтому интерфейс BRI также называют «2B + D»). Общая пропускная способность BRI составляет 144 кбит, однако для передачи данных может использоваться один или два B-канала, что в итоге дает
пропускную способность в 64/128 кбит.
PRI обеспечивает пропускную способность до 2 Мбит/с и реализован по формуле «nB + D» («23В + D» – в США и Японии, где действует стандарт Т-1, и «30В + D» – в Европе, где действует стандарт Е-1), быстродействие
D-канала – 64 кбит/с. PRI интерфейс может быть основан на каналах типа Н, например: «3H0+D», «H11» или «H12+D». Кадры интерфейса PRI имеют структуру кадров DS-1 для каналов Т1 или Е1.
Благодаря тому, что BRI содержит два различных канала данных, ISDN-линию одновременно может использовать два абонента – либо для двух телефонных разговоров, либо для телефонного разговора и передачи данных, в том числе Internet. Вообще же к ISDN-линии можно подключить до восьми различных устройств, каждое из которых получит собственный идентификационный номер.
В число компонентов ISDN входят терминалы, терминальные адаптеры (ТА), устройства завершения работы сети, оборудование завершения работы линии и завершения коммутации.
Пользовательское оборудование для подключения к сети, образующее интерфейс, устанавливаемый в помещении пользователя (Customer Premises Equipment, СРЕ), объединяет терминалы и устройства завершения работы сети и делится на четыре функциональные группы.
Терминальные устройства ТЕ1 (Terminal Equipment 1) относятся к устройствам, которые поддерживают интерфейс пользователя BRI или PRI (например цифровой телефон), они подключаются к сети ISDN через цифровую линию связи из четырех скрученных пар проводов. Терминалы ТЕ2 (Terminal Equipment 2) представляют собой устройства, которые не поддерживают интерфейс BRI или PRI (компьютер, маршрутизатор с последовательными интерфейсами). Терминалы ТЕ2 подключают к сети ISDN через терминальный адаптер (ТА), который может быть либо автономным устройством, либо платой внутри ТЕ2.
Устройства функциональной группы завершения работы сети NT1 (Network Termination 1) образуют цифровое абонентское окончание (Digital Suscriber Line, DSL). PRI-окончание выполняется по схеме канала Т1 или Е1, является четырехпроводным с максимальной длиной около 1800 м. Абонентское окончание BRI выполнено по двухпроводной схеме длиной до 5,5 км. Устройства группы NT2 (Network Termination 2) представляют собой устройства канального или сетевого уровня (офисная АТС, маршрутизатор и т. п.).
Устройства различных групп соединяются между собой посредством контрольных точек: «R» (контрольная точка между неспециализированным оборудованием ISDN и ТА), «S» (между терминалами пользователя ТЕ и NT2), «Т» (между устройствами NT1 и NT2) и «U» (между устройствами NT1 и оборудованием завершения работы линии в коммерческих сетях связи).
ISDN функционирует в соответствии с двумя стеками протоколов: стек каналов типа D и стек каналов типа В.
Каналы типа D реализуют принцип коммутации пакетов с использованием трех уровней обмена сигналами: физический протокол определяется стандартом 1.430/431, канальный протокол LAP-D семейства HDLC – стандартом Q.921, а на сетевом уровне может использоваться протокол Q.931, с помощью которого выполняется маршрутизация вызова абонента службы с коммутацией каналов, или протокол Х.25.
Первый уровень обмена сигналами, физический, предполагает передачу данных в кадре, формат которого различается в зависимости от того, является блок данных отправляемым за пределы терминала (из терминала в сеть) или входящим в пределы терминала (из сети в терминал). В кадре последовательно передаются байты каналов B, между которыми устанавливаются служебные биты и биты канала D.
Уровень 2 характеризует процедуры доступа к каналу связи, адресацию и т. д., в частности, он обеспечивает два режима работы: с установлением соединения (единственный режим работы протокола LLC2) и без установления соединения. Последний режим используется, например, для управления и мониторинга сети.
Уровень 3 обеспечивает соединение «пользователь – пользователь», соединение с коммутацией каналов и пакетов. В них определены разнообразные сообщения по организации и завершению обращения, информационные и смешанные сообщения, в том числе SETUP (УСТАНОВКА), CONNECT (ПОДКЛЮЧАТЬ), RELEASE (ОТКЛЮЧЕНИЕ), USER INFORMATION (ИНФОРМАЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ), CANCEL (ОТМЕНА), STATUS (СОСТОЯНИЕ) и DISCONNECT (РАЗЪЕДИНЯТЬ). Эти сообщения функционально схожи с сообщениями, которые обеспечивает протокол Х.25.
Сеть каналов типа D внутри сети ISDN служит транспортным уровнем для так называемой системы сигнализации номер 7 (Signal System Number 7, SS7). Система SS7 была разработана для целей внутреннего мониторинга и управления коммутаторами телефонной сети общего назначения. Эта система применяется и в сети ISDN. Служба SS7 относится к прикладному уровню модели OSI. Конечному пользователю ее услуги недоступны, так как сообщениями SS7 коммутаторы сети обмениваются только между собой.
Каналы типа В образуют сеть с коммутацией цифровых каналов с использованием протокола физического уровня обмена сигналами. Коммутация осуществляется по командам канала D.
Адрес абонента сети ISDN объединяет формат международного телефонного плана номеров и расширение для поддержки большего числа абонентов и для использования в нем адресов других сетей, например Х.25. Адрес абонента ISDN составляет 55 десятичных цифр, которые разделяются на номер абонента и адрес абонента. Номер абонента соответствует подключению всего пользовательского оборудования к сети (например, АТС), адрес абонента отвечает за нумерацию терминальных устройств за пользовательским интерфейсом (телефонный аппарат).
Технологии коммутации пакетов предполагают передачу данных через виртуальное соединение между абонентами сети, которое реализуется в виртуальных каналах: коммутируемом (Switched Virtual Circuit, SVC) и постоянном (Permanent Virtual Circuit, PVC). Каналы обычно работают в дуплексном режиме, причем в одной физической линии связи могут одновременно функционировать несколько каналов. Физические линии соединяют порты разных коммутаторов, тем самым организуется сеть оператора, к которой посредством абонентского подключения подсоединяется конкретный пользователь (абонент). Коммутируемый канал создается коммутаторами сети динамически, по запросу абонента, а постоянный канал настраивается вручную администратором сети. Постоянные применяют для соединений, по которым трафик передается почти всегда, а для временных соединений больше подходят коммутируемые каналы. В любом случае каждый абонент еще на стадии заключения договора с оператором получает уникальный для сети адрес абонента, который будет использоваться при создании канала, например, при формировании вызывающим абонентом запроса на создание канала.
В процессе создания виртуального канала в соответствии с адресом абонента сети вводятся локальные для каждого коммутатора сети номера или идентификаторы каналов (Virtual Channel Identifier, VCI), посредством которых будет осуществляться дальнейшая адресная передача пакетов. Для каждого виртуального канала вводятся таблицы коммутации портов, которые описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определенный номер VCI, т. е. коммутация каналов есть соединение портов. Таким образом, виртуальные каналы обеспечивают сначала обычный режим маршрутизации пакета на основании адреса назначения при запросе на установление соединения и режим коммутации пакетов с использованием VCI.
Номера каналов меньше по размеру, чем полный адрес абонента, поэтому коммутаторы оперируют небольшими идентификаторами каналов и таблицами, а значит, ускоряют свою работу. Этот фактор также позволяет ограничить адресную часть пакетов, где указываются VCI, а не адреса абонентов, увеличив в результате долю полезной информации. А так как протоколы обычно не предполагают обмен маршрутной информацией, подобный RIP или OSPF, из-за отсутствия множественных связей между коммутаторами, то эффективность подхода с коммутацией пакетов является высокой.
Протокол Frame Relay стандартизирован как служба ISDN в 1993 г. CCITT (ITU-T) и далее принят Frame Relay Forum, комитетом T1S1 института ANSI. В сравнении с протоколом X.25 он обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит/с, меньшие задержки, но и меньшую надежность доставки информации. Frame Relay предназначен для межсетевого общения, ориентирован на предварительное соединение через механизм виртуальных каналов (постоянных и коммутируемых) и реализован на двух нижних уровнях модели OSI. Протокол обеспечивет каждому приложению гарантированную полосу пропускания в соответствии с committed information rates (CIR – оговоренные скорости передачи). Если приложение не использует полностью выделенную полосу, другие приложения могут поделить между собой свободный ресурс.
Технология frame relay переняла от технологии ISDN физический уровень и способ установления коммутируемого виртуального канала на канальном уровне. Последнее реализуется протоколом LAP-F core, который является версией протокола LAP-D и использует канал D интерфейса абонента. После установления коммутируемого канала кадры могут транслироваться по протоколу LAP-F, который коммутирует их с помощью таблиц коммутации портов с использованием локальных значений VCI.
Стандарт предусматривает передачу данных в кадрах похожих на формат HDLC размером поля данных до 4056 байт и с двух-, трех- и четырехбайтовым форматом заголовков. Применение инкапсуляции гарантирует транспортировку пакетов других протоколов через сети Frame Relay.
|
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
… |
2 |
1 |
|
Флаг 0х7Е |
Заголовок Q.922 |
Управление UI=0х03 |
Заполнитель |
NLPID |
FCS |
Флаг 0х7Е |
|
|
Поле данных до 4056 байт |
Рис. 1. Формат кадра Frame Relay
|
4 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
DLCI – начало |
C/R |
ЕАО |
||
|
DLCI – продолжение |
FECN |
BECN |
DE |
ЕА1 |
Рис. 2. Формат заголовка
Поле номера виртуального соединения (Data Link Connection Identifier, DLCI) состоит из 10 битов, но при использовании трех байт для адресации поле DLCI имеет длину 16 бит, а при использовании четырех байт – 23 бита. Размером DLCI управляют биты ЕАО и ЕА1 (Extended Address – расширенный адрес). Если бит в этом признаке установлен в ноль, то признак называется ЕАО и означает, что в следующем байте имеется продолжение поля адреса, а если бит признака равен единице, то поле называется ЕА1 и индицирует окончание поля адреса.
Адреса DLCI распределяются следующим образом:
0 – используется для виртуального канала локального управления (LMI);
1 – 15 – зарезервированы для дальнейшего применения;
16 – 991 – используются абонентами для нумерации PVC и SVC;
992 – 1007 – используются сетевой транспортной службой для внутрисетевых соединений;
1008 – 1022 – зарезервированы для дальнейшего применения;
1023 – используются для управления канальным уровнем.
Поле C/R – это признак «команда-ответ».
FECN – бит forward explicit congestion notification (указание на возможность реагирования на перегрузку при посылке пакетов). Сигнализирует отправителю о переполнении буферов на приеме.
BECN – бит backward explicit congestion notification (тоже для случая приема пакетов).
DE – бит discard eligibility (пометка пакета при перегрузке канала). Помеченный пакет может быть отброшен и потребуется его повторная пересылка.
FCS – двухбайтовая контрольная сумма кадра (frame control sum).
Заполнитель является опционным и может отсутствовать.
В поле данных встраивается NLPID – идентификатор протокола сетевого уровня (network layer protocol ID), он содержит коды инкапсулированного протокола, наприме IP (код 0xcc), CCITT Q.933, ISO 8208, IEEE SNAP, CLNP (ISO 8473) и т. д.
Качество обслуживания потоков данных для каждого виртуального соединения обычно заказывается при установлении соединения и определяется несколькими параметрами:
CIR (Committed Information Rate) – согласованная информационная скорость, с которой сеть будет передавать данные пользователя, она является основным параметром, по которому устанавливается соединение;
Be (Committed Burst Size) – согласованный объем пульсации, т. е. максимальное количество байтов, которое сеть будет передавать от этого пользователя за интервал времени Т;
Be (Excess Burst Size) – дополнительный объем пульсации, т. е. максимальное количество байтов, которое сеть будет пытаться передать сверх установленного значения Вс за интервал времени Т.
Интервал Т определяется формулой: Т = Bc/CIR.
При установлении коммутируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заключается автоматически с помощью протокола Q.931/933 – требуемые параметры CIR, Вс и Be передаются в пакете запроса на установление соединения.
Если пользователь нарушает эти условия, но общее количество данных, переданных пользователем в сеть за период Т, не превышает объема (Вс + Ве), то сеть не гарантирует доставку кадра и помечает этот кадр признаком возможного удаления DE (Discard Eligibility), равным единице. Удаление осуществляется, если DE = 1 и коммутаторы сети испытывают перегрузки или период Т > Вс + Ве. Это правило реализуется алгоритмом «дырявого ведра» (Leaky Bucket), который контролирует соглашение о параметрах качества и осуществляет подсчет поступивших от пользователя байт в периоде Т. Возможны неполные сочетания параметров обслуживания, например, CIR и Вс или Be при CIR = 0, которые дают выигрыш при определенных ситуациях. Кроме того, качество обслуживания может отличаться для разных направлений передачи данных в канале.
В технологии frame relay допустимо оповещение абонентов о наличии в сети перегрузок, о чем свидетельствует бит FECN при передаче кадра принимающей стороне и бит BECN для передающей стороны.
Установление коммутируемого виртуального соединения инициируется передачей по каналу D сообщения SETUP, которое имеет несколько параметров, в том числе:
DLCI;
адрес назначения (в формате Е.164, Х.121 или ISO 7498);
максимальный размер кадра в данном виртуальном соединении;
запрашиваемое значение CIR для двух направлений, Вс для двух направлений и Be для двух направлений.
Ответом на запрос является пакет CALL PROCEEDING (вызов обрабатывается), посылаемый ближайшим коммутатором, который после анализа возможности построения канала может передать SETUP следующему коммутатору в соответствии с таблицей маршрутизации и так далее по цепочке, пока SETUP не достигнет вызываемого абонента. Вызываемый абонент отвечает пакетом CALL PROCEEDING и после обработки запрос отвечает пакетом CONNECT. Этот пакет последовательно проходит весь путь обратно, предлагая коммутаторам принять соединение подтвержденным. Вызывающий абонент, получив CONNECT, отвечает сообщением CONNECT ACKNOWLEDGE вызываемому абоненту, после чего по виртуальному каналу могут передаваться данные.
Доступ к сетям frame relay может реализоваться посредством мостов локальных сетей с инкапсуляцией кадров какой-либо технологии в кадры frame relay или, чаще всего, маршрутизаторов через последовательные порты с IP-инкапсуляцией.
Стандарт АТМ – асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode) – принят группой АТМ Forum IEEE в 1993 г., а также комитетами ITU-T и ANSI. Технология является несущей для широкополосных сетей ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN), объединяющей возможность передачи разнородного трафика с разным качеством обслуживания и развитой иерархией скоростей, от десятков мегабит до нескольких гигабит в секунду, с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений и сохранением имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, SDH STM-n, FDDI. Технология АТМ осуществляет передачу данных в виде адресуемых пакетов небольшого размера с минимальными задержками
в сети.
Виртуальные соединения могут быть постоянными и коммутируемыми, также вводится понятие виртуального пути – Virtual Path, который объединяет виртуальные каналы на магистралях сети АТМ. Общий адрес складывается из идентификатора виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и адреса виртуального канала. Возможны виртуальные соединения типа «один-к-одному» (point-to-point) и «один-ко-многим» (point-to-multipoint). При установлении соединения «один-ко-многим» ведущим считается узел, который является инициатором этого соединения. Сначала этот узел устанавливает виртуальное соединение всего с одним узлом, а затем добавляет к соединению с помощью специального вызова по одному новому члену, образуя дерево соединения. Таблицы коммутации виртуальных каналов могут быть заданы администратором либо получены за счет протокола маршрутизации PNNL.
Стандарт АТМ основывается на физическом уровне SDH, поэтому начальная скорость передачи STM-1 155 Мбит/с (как на волоконно-оптическом кабеле, так и на неэкранированной витой паре категории 5). На скорости 622 Мбит/с применяется одно- и многомодовый волоконно-оптический кабель. АТМ также поддерживает Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ и ряд других технологий, также возможна передача на уровне «cell-based» со скоростью 155,52 Мбит/с, когда в среде передаются непосредственно ячейки формата АТМ без инкапсуляции в кадры SDH.
Ячеистый принцип к разбиению данных на блоки, реализованный в технологии АТМ, позволяет передавать в сети любого вида трафик. Ячейка АТМ имеет длину 53 байта, поле данных – 48 байт, а заголовок – 5 байт, содержащий следующие поля:
GFC – Generic flow control (4 бита, смотри описание пакетов ISDN) – общее управление потоком;
VPI – Virtual path identifier (8 бит, служит для целей маршрутизации) – идентификатор виртуального пути;
VCI – Virtual call identifier (16 бит, служит для целей маршрутизации) – идентификатор виртуального канала;
PT – Payload type (2 бита, тип данных; это поле может занимать и зарезервированное субполе RES);
RES – зарезервированный бит;
CLP – (Cell loss priority – уровень приоритета при потере пакета) указывает на то, какой приоритет имеет пакет (cell) и будет ли он отброшен в случае перегрузки канала;
HEC – header error control (8 бит, поле контроля ошибок).
В ATM принято пять классов трафика (service class), отличающихся следующими характеристиками (табл. 1):
наличие пульсации трафика, который определяется постоянством битовой скорости (Constant Bit Rate, CBR и Variable Bit Rate, VBR);
наличие синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;
использование процедуры установления соединения или без установления соединения.
Таблица 1
Классы трафика АТМ
|
Параметр |
Класс a |
Класс b |
Класс c |
Класс d |
|
Синхронизация работы отправителя и получателя |
Необходима |
Необходима |
Не нужна |
Не нужна |
|
Частота следования битов |
Постоянная |
Переменная |
Переменная |
Переменная |
|
Режим соединения |
С соединением |
С соедине-нием |
С соединением |
Без соединения |
Введен еще один класс – X, который не имеет никаких дополнительных описаний, а определяется количественными параметрами трафика и качества обслуживания, которые устанавливаются пользователем в трафик-контракте, т.е. при соглашении с оператором.
В технологии АТМ поддерживаются количественные параметры, значения которых могут быть установлены пользователем для регламентации качества обслуживания причем для разных направлений передачи данных:
– группа параметров пропускной способности (параметры трафика не учитываются как показатели качества обслуживания):
Peak Cell Rate (PCR) – максимальная скорость передачи данных (ячеек в секунду);
Sustained Cell Rate (SCR) – средняя скорость передачи данных;
Minimum Cell Rate (MCR) – минимальная скорость передачи данных;
Maximum Burst Size (MBS) – максимальный размер пульсации (ячеек);
– параметры надежности передачи пакетов:
Cell Loss Ratio (CLR) – доля потерянных ячеек;
– параметры задержек пакетов:
Cell Transfer Delay (CTD) – задержка передачи ячеек;
Cell Delay Variation (CDV) – вариация задержки ячеек.
Для контроля параметров трафика и качества обслуживания применяется обобщенный алгоритм контроля скорости ячеек Generic Cell Rate Algorithm, который может проверять соблюдение пользователем и сетью параметров PCR, CDV, SCR, ВТ, CTD и CDV. Он работает по модифицированному алгоритму «дырявого ведра», применяемому в технологии frame relay.
Стек протоколов АТМ соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает в себя уровень адаптации АТМ, собственно уровень АТМ и физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели OSI нет.
Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ нужного формата с учетом класса передачи. Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней. Нижний подуровень AAL называется подуровнем сегментации и реассемблирования (Segmentation And Reassembly, SAR) и занимается разбиением (сегментацией) сообщений на ячейки. Верхний подуровень AAL называется подуровнем конвергенции – Convergence Sublayer, CS, он осуществляет синхронизацию между передающим и принимающим узлами, контроль и восстановление ошибок, контроль целостности. Протокол АТМ занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, т. е. на основании готовых таблиц коммутации портов. Кроме того, он выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети.
Адрес абонента сети ATM имеет длину 20 байт, его формат может содержать информацию о телефонном номере абонента ISDN, номере сети АТМ, идентификаторе конечной системы (МАС адрес узла АТМ) и др.
В АТМ реализовано несколько служб, предоставляющих услуги различных категорий (service categories) по обслуживанию трафика абонента, они заказываются абонентом при установлении соединения так же, как и другие параметры. Определено пять категорий услуг, которые поддерживаются одноименными службами (табл. 2).
Таблица 2
Типы категорий ATM-услуг
|
Класс |
Описание |
Пример |
|
cbr |
Постоянная скорость передачи |
Канал Т1 |
|
rt-vbr |
Переменная скорость передачи (реальное время) с синхронизацией источника и приемника |
Видеоконференции |
|
nrt-vbr |
Переменная скорость передачи (нереальное время) без требований по синхронизации источника и приемника |
Мультимедиа по электронной почте |
|
abr |
Доступная скорость передачи без требований по синхронизации источника и приемника |
Просмотр web-информации |
|
ubr |
Неспецифицированная скорость передачи |
Пересылка файлов в фоновом режиме |
В АТМ используются различные механизмы для поддержания требуемого качества услуг. Кроме механизмов заключения соглашения на основе параметров трафика и параметров качества, а затем отбрасывания ячеек, не удовлетворяющих условиям соглашения, реализуются очереди ячеек, обслуживаемых с различными приоритетами. Существует одно- и двухуровневая схемы обслуживания, в первой трафик CBR имеет первый приоритет, трафик VBR – второй, а UBR – третий. Во второй схеме каждому классу служб предоставляется некоторая часть пропускной способности сети. Трафик CBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания пиковой скорости PCR, трафик VBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания средней скорости SCR, a трафик ABR получает часть пропускной способности, достаточную для обеспечения требования минимальной скорости ячеек MCR. Это гарантирует, что каждое соединение может работать без потерь ячеек и не будет доставлять ячейки ABR за счет трафика CBR или VBR. На втором уровне этого алгоритма трафик CBR и VBR может забрать всю оставшуюся пропускную способность сети, если это необходимо, так как соединения ABR уже получили свою минимальную пропускную способность, которая им гарантировалась.
Одним из основных достоинств АТМ является возможность совместной работы с другими технологиями и протоколами высшего уровня. Так, в рамках взаимодействия с протоколом IP разработан протокол Classical IP, который является аналогом ARP и осуществляет поиск локального адреса маршрутизатора или узла по его IP-адресу. В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть АТМ может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS), для которых АТМ-маршрутизатор имеет соответствующие интерфейсы или один с поддержкой нескольких LIS. Все узлы имеют в своих конфигурациях IP-адрес, маску, IP-адрес маршрутизатора и адрес АТМ (или номер VPI/VCI для постоянного канала) так называемого сервера ATMARP (маршрутизатор сети), который поддерживает общую базу адресов сети и осуществляет разрешение соответствия адресов по запросу узлов. Для передачи IP-пакетов через сеть АТМ спецификация Classical IP определяет использование протокола уровня адаптации AAL5, соответствующего классу X.
Взаимодействие АТМ с другими протоколами технологического уровня обеспечивается протоколом LAN emulation, LANE (эмуляция локальных сетей), который на канальном уровне определяет способ преобразования кадров и адресов МАС в ячейки и коммутируемые соединения SVC технологии АТМ, а также способ обратного преобразования. На основе LANE реализована спецификация Multiprotocol Over АТМ, МРОА, которая определяет эффективную передачу трафика сетевых протоколов – IP, IPX и т. п. через сеть АТМ.
В локальных сетях технология АТМ применяется обычно на магистралях, где хорошо проявляются такие ее качества, как масштабируемая скорость, качество обслуживания, петлевидные связи. Основной соперник технологии АТМ в локальных сетях – технология Gigabit Ethernet. В глобальных сетях АТМ применяется там, где сеть frame relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени.
Хотя технология АТМ разрабатывалась для одновременной передачи данных компьютерных и телефонных сетей, передача голоса по каналам составляет всего 5 – 10 % от общего трафика, а передача видеоинформации – 10 – 20 %, остальной трафик – компьютерный.
xDSL (Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия) является обобщенной аббревиатурой для таких основных технологий, как ADSL, HDSL, RADSL, SDSL, VDSL, G.SHDSL и др. Эта аббревиатура впервые была введена фирмой Bellcore. Используя полосу более высоких, чем для обычной телефонной связи (300 – 3400 Гц) частот, DSL позволяет достичь значительно более высокой скорости передачи данных (до 15 Мбит/с), чем это возможно при ограниченной полосе частот существующей телефонной сети общего пользования (ТФОП). DSL часто называют технологиями «последней мили».
По балансу скоростей передачи данных от сети к пользователю и от пользователя в сеть DSL технологии разделяются на симметричные и асимметричные. История симметричных DSL-систем, работающих по одной паре, началась в 1995 г.
с использования технологии линейного кодирования 2В1Q: тогда появилось множество продуктов, обеспечивавших скорость до 1168 кбит/с в обоих направлениях. Однако широкого распространения они не нашли, и в 1998 – 1999 гг. появились системы SDSL, обеспечивающие скорость уже до 2 Мбит/с с технологией линейного кодирования CAP (системы MSDSL). В 1999 г. появились новые системы SDSL, обеспечивающие скорость до 2,3 Мбит/с с усовершенствованной технологией 2В1Q (системы MDSL). Для повышения скорости передачи данных Международный союз электросвязи в феврале 2001 г. выбрал ТС-РАМ в качестве единого мирового DSL-стандарта – G.SHDSL. SHDSL-модемы в одинаковых условиях работы превосходят по быстродействию своих предшественников на 35 – 45%. В 2005 г. фирмами Metalink и Infineon заявлено о разработке технологии VDSLPlus, которая обеспечивает скорость передачи и приема данных до 100 Мбит/с на расстояниях не менее 200 м.
Асимметричные технологии начали развиваться с ADSL (1995 г.), обеспечивающей скорости от абонента до 1,5 Мбит/с и к абоненту – до 8 Мбит/с. В дальнейшем эта технология усовершенствовалась с целью упрощения развертывания и адаптации (ADSL.Lite), а в настоящее время получили развитие технологии ADSL 2, ADSL 2+ (2002 – 2003 гг.), последняя обеспечивает двукратное повышение скорости передачи. Основные xDSL-технологии представлены в табл. 3.
Большинство DSL-решений имеет Ethernet-окончания, что позволяет очень просто интегрировать оборудование с существующей инфраструктурой сети. В настоящее время число пользователей DSL составляет более 100 млн.
Технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line – асимметричная цифровая абонентская линия) является наиболее популярной высокоскоростной коммуникационной технологией, разработанной для использования на абонентских линиях ТФОП. При работе ADSL полоса пропускания телефонной линии разделяется на два частотных диапазона. Полоса частот ниже 4 кГц используется для обычной (голосовой) телефонной связи, а вся доступная полоса частот выше указанной частоты используется для передачи данных. Это позволяет использовать телефонную линию одновременно и для телефонной связи, и для передачи данных.
Таблица 3
Технологии xDSL
|
Технология |
Стандарт |
Кол-во медных пар |
Скорость, Мбит/с |
Дальность, км |
Модуляция |
|
ADSL |
G.992.1 |
1 |
8,2/1,5 |
3-6 |
2B1Q |
|
HDSL |
G.991.1 |
2 |
2,3 |
3-6 |
CAP |
|
SDSL |
1 |
2,3 |
3-6 |
CAP |
|
|
SHDSL |
G.991.2 |
1/2 |
2,3/4,6 |
3-9 |
CAP |
|
VDSL |
G.993.1 |
1 |
12,3 (до 52/2) |
0,8-1,8 |
TDM |
|
ADSL-2 |
G.992.3 |
1 |
12/1,0 |
1,8-6 |
QAM |
|
ADSL-2+ |
G.992.5 |
1 |
24/2,0 |
0,9-6 |
QAM |
|
Extrime DSL MAX |
G.992.3 |
1 |
50,0/3,0 |
3-6,6 |
TC-PAM16 TC-PAM32 |
|
G.SHDSL |
G.shdsl.bis |
1 |
3,8/3,8 |
0,81,5(4,0) |
TC-PAM16 TC-PAM32 |
|
VDSL-2 |
G.993.2 |
1 |
60/40 |
1,5(4,0) |
DMT, QAM |
Основной отличительной особенностью ADSL является то, что скорость передачи к пользователю и скорость передачи от пользователя неодинаковы (именно поэтому данная цифровая абонентская линия и является асимметричной). При этом скорость передачи к пользователю значительно превышает скорость передачи от пользователя. Такой режим работы ADSL учитывает главную особенность сети Internet, в соответствии с которой информационный поток от сети к пользователю существенно превышает информационный поток от пользователя к сети. Скорость передачи данных к пользователю обычно составляет от 1,5 до 8 Мбит/с, от пользователя – от 64 кбит/с до 1,5 Мбит/с.
Так как ADSL была разработана для использования индивидуальными пользователями или в небольших офисах, она наряду с организацией высокоскоростной передачи сохраняет аналоговую телефонную связь по данной абонентской линии, что исключает необходимость прокладывания дополнительной телефонной линии до пользователя.
Технология ADSL, предназначенная для подключения индивидуальных заказчиков или небольших фирм к Internet и к другим телекоммуникационным службам, используется следующим образом. У клиента устанавливается ADSL-модем, а на другом конце абонентской линии, в помещении АТС, – стойка из модемов, которые подключаются к линии параллельно уже имеющемуся телефонному оборудованию. Эти модемы при помощи цифровых каналов подключаются к маршрутизаторам провайдера Internet. Модемы, установленные на АТС и у клиента, соединены постоянно, вне зависимости от состояния голосового канала, т. е. для установления соединения не нужно предпринимать никаких действий.
Технология RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения) позволяет адаптироваться к постоянно изменяющимся характеристикам абонентской линии. Фактически RADSL способна адаптироваться к изменениям характеристик линии в процессе появления этих изменений.
Технология RADSL призвана обеспечить гибкость в предоставлении провайдерами услуг пользователям. Данная технология обеспечивает автоматическую подстройку скорости передачи данных по линии, которая базируется на проведении серии начальных тестов, позволяющих определить максимально возможную скорость передачи данных по конкретной телефонной линии.
G.Lite (ADSL.Lite) представляет собой более дешевый и простой в установке вариант технологии ADSL, обеспечивающий скорость «нисходящего» потока данных до 1,5 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных до 512 или по 256 кбит/с в обоих направлениях.
ADSL2 представляет собой усовершенствованный вариант ADSL, который имеет такую же скорость передачи данных, что и ADSL, но при этом потребляет меньше энергии и имеет некоторые другие важные технические особенности.
IDSL (ISDN Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия IDSN) обеспечивает полностью дуплексную передачу данных на скорости до 144 кбит/с. В отличие от ADSL возможности IDSL ограничиваются только передачей данных. Несмотря на то, что IDSL, как и ADSL, использует модуляцию 2B1Q, между ними имеется ряд отличий. Во-первых, линия IDSL является некоммутируемой, не приводящей к увеличению нагрузки на коммутационное оборудование провайдера, линия ADSL является «постоянно включенной» (как и любая линия, организованная с использованием технологии DSL), в то время как ISDN требует установки соединения.
HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) обеспечивает симметричную высокоскоростную передачу данных и обычно использует две пары телефонного кабеля, а не одну. При этом по каждой паре передается половина потока данных в дуплексном режиме. В большинстве случаев HDSL обеспечивает скорость передачи данных 1,5 или 2 Мбит/с в обоих направлениях на расстояния, зависящие от типа применяемого кабеля. Указанные скорости передачи данных соответствуют стандартам Т1 и Е1, следовательно, основной сферой использования HDSL являются соединительные линии местных телефонных сетей или выделенные линии связи Т1/Е1 в тех местах, где велика плотность абонентов-организаций (например, в офисных зданиях). Благодаря применению более эффективных линейных кодов 2B1Q и САР, а также метода эхокомпенсации протяженность линии HDSL в два – три раза превышает длину участка типа Т1/Е1, что позволяет отказаться от применения регенераторов при использовании HDSL на соединительных линиях между АТС местной сети. Для организации выделенных линий большой протяженности в различных модификациях оборудования HDSL предусмотрена возможность применения дистанционно питаемых трех – четырех регенераторов. Передача данных по каждой линии HDSL осуществляется в полнодуплексном режиме. Для обеспечения полнодуплексной связи по одной паре проводов HDSL-трансивер использует систему подавления эхо-сигналов на основе методов цифровой обработки сигналов (DSP). На начальном этапе работы система подавления эхо-сигналов выполняет «тренировку», чтобы надежно отличать принятый сигнал от передаваемого с учетом перекрестных помех на ближней стороне (NEXT). «Тренировка» осуществляется за счет передачи предопределенных сигналов в течение заданного времени. Этот процесс называется стартовым (start-up process), и передача данных начинается только после успешного завершения стартового процесса.
HDSL2 представляет собой усовершенствованный вариант технологии HDSL, имеющий те же функции, что и обычная технология HDSL, но при этом использующий для работы всего одну пару телефонного кабеля. В качестве основы HDSL2 была принята система передачи с перекрывающимся, но несимметричным распределением спектральной плотности сигнала, передаваемого в различных направлениях, использующая 16-уровневую модуляцию PAM (Pulse Amplitude Modulation). Выбранный способ модуляции PAM-16 обеспечивает передачу трех бит полезной информации и дополнительного бита (кодирование для защиты от ошибок) в одном символе. Использование решетчатых (Trellis) за счет введения избыточности передаваемых данных позволили снизить вероятность ошибок. Результирующая система получила название TC-PAM (Trellis coded PAM). При декодировании в приемнике используется весьма эффективный алгоритм Витерби (Viterbi). Дополнительный выигрыш получен за счет применения прекодирования Томлинсона (Tomlinson) – искажения сигнала в передатчике на основе знания импульсной характеристики канала.
SDSL (Single Line Digital Subscriber Line – однолинейная цифровая абонентская линия) так же, как и технология HDSL, обеспечивает симметричную передачу данных со скоростями, соответствующими скоростям линии Т1/Е1, но при этом она имеет два важных отличия: во-первых, используется только одна витая пара проводов, а во-вторых, максимальное расстояние передачи ограничено 3 км. В пределах этого расстояния технология SDSL обеспечивает, например, работу системы организации видеоконференций, когда требуется поддерживать одинаковые потоки передачи данных в оба направления. В определенном смысле технология SDSL является предшественником технологии HDSL2.
VDSL (Very-High Digital Subscriber Line – сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) аналогична ADSL, однако в отличие от ADSL VDSL может работать в асимметричном и симметричном режиме. По сравнению с ADSL VDSL имеет значительно более высокую скорость передачи данных: от 13 до 52 Мбит/с в направлении от сети к пользователю и от 1,5 Мбит/с – от пользователя к сети при работе в асимметричном режиме; максимальная пропускная способность линии VDSL при работе в симметричном режиме составляет примерно 26 Мбит/с в каждом направлении передачи. В зависимости от требуемой пропускной способности и типа кабеля длина линии VDSL лежит в пределах от 300 м до 1,3 км.
Устройства, соответствующие спецификациям G.SHDSL, обеспечивают симметричную передачу данных в обоих направлениях на двужильном кабеле на скоростях от 192 кбит/с до 2,3 Мбит/с. Предусматривается также возможность их применения в двухпарных включениях. В таких случаях можно повысить максимальную скорость до 4,6 Мбит/с или примерно на 25 % увеличить протяженность линии и обеспечить необходимый уровень резервирования. Благодаря применению 16-уровневого линейного кода TC-PAM сигнал G.SHDSL при любой скорости передачи занимает более узкую полосу частот, чем сигналы с модуляцией 2B1Q или CAP, поэтому дальность связи возрастает в первом случае на 15 – 30 %, а во втором – примерно на 10 %. В G.SHDSL эффективно используется адаптация скорости передачи, способная изменяться с шагом 8 кбит/с от 192 кбит/с до максимального значения 2,32 Мбит/с, соответствующего скорости канала E1. Для этого с помощью протокола G.HS.BIS, инкапсулированного в стандарт, в процессе установления соединения модемы на обоих концах линии тестируют условия распространения сигнала и в результате обмена сообщениями определяют максимальную скорость передачи, допустимую при данных условиях (это особенно важно для определения типа обслуживания передаваемого трафика и формата передаваемых кадров), причем максимальная длина соединения (7,5 км при скорости 192 кбит/с и более 3 км при 2,32 Мбит/с) оказывается больше, нежели у других симметричных DSL-технологий, работающих при тех же скоростях передачи. Применение эхоподавления обеспечивает полнодуплексную связь при всех значениях скорости.
Развивается G.SHDSL.bis, которая позволит увеличить скорость передачи данных по одной паре с 2,312 до 3,840 Мбит/с (улучшенный код модуляции TC-PAM16), а в дальнейшем – до 5,700 Мбит/с (TC-PAM32). В реальных шумовых условиях дальность работы на максимальной скорости устройств с модуляцией TC-PAM16 составляет порядка 1,7 км (для потока 3,8 Мбит/с), а с модуляцией TC-PAM32 – около 800 м (5,7 Мбит/с)
Основным различием xDSL технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования данных. В настоящее время большая часть технологий использует следующие основные модуляции потенциального типа:
алгоритм линейного кодирования 2B1Q;
квадратурную амплитудную модуляцию (Quadrature Amplitude Modu-lation – QAM);
амплитудно-фазовую модуляцию с подавлением несущей (Cariereless Amplitude/Phase Modulation – CAP);
дискретную многотональную модуляцию (Discrete MultiTone Modu-lation – DMT)
Алгоритм линейного кодирования 2B1Q (2 Binary I Quandary) был первоначально предложен для использования в качестве протокола физического уровня в точке сопряжения U для BRI интерфейса сети ISDN. Алгоритм 2B1Q представляет собой один из вариантов реализации алгоритма амплитудно-импульсной модуляции с четырьмя уровнями выходного напряжения без возвращения к нулевому уровню (NRZ) (табл. 4).
Для формирования линейного кода входной информационный поток делится на кодовые группы по два бита в каждой. В зависимости от комбинации значений битов кодовой группы ей ставится в соответствие один из четырех кодовых символов, каждому из которых в свою очередь ставится в соответствие один из уровней кодового напряжения. Каждая пара битов данных преобразуется в один квадратурный символ (состояние сигнала в линии), называемый кватом (quat), бит может принимать два состояния, а кват имеет четыре уровня.
Таблица 4
Схема кодирования
|
Кодовая группа |
Кодовый символ |
Кодовое напряжение |
|
00 |
– 3 |
– 2,5 В |
|
01 |
– 1 |
– 0,833 В |
|
10 |
+ 3 |
2,5 В |
|
11 |
+ 1 |
0,833 В |
Для передачи в одной полосе частот обычным методом является амплитудная модуляция (Pulse Amplitude Modulation – PAM), которая заключается в изменении амплитуды дискретными шагами. Квадратурная модуляция (QAM) использует модуляцию двух параметров – амплитуды и фазы. В данном случае для кодирования трех старших бит используется относительная фазовая модуляция, а последний бит кодируется выбором одного из двух значений амплитуды для каждого фазового сигнала. Теоретически количество бит на символ можно увеличивать путем повышения разрядности QAM. Однако при увеличении разрядности становится все сложнее детектировать фазу и уровень.
Способ модуляции CAP предусматривает подавление несущей частоты, которая восстанавливается на принимающей стороне. Таким образом, на передачу самой несущей расходуется меньше энергии, а на передачу собственно данных – больше. При этом ширина полосы передаваемого сигнала максимальна (в пределах допустимого). Это означает необходимость эхокомпенсации, что приводит к удорожанию модемов. Возможно также применение разных несущих частот для приема и передачи, что, однако, снижает скорость обмена.
При способе модуляции DMT общая полоса частот примерно 1,1 МГц делится на 256 полос, называемых каналами, каждая из которых занимает 4,3125 кГц. Для предотвращения взаимовлияния с традиционными аналоговыми сигналами каналы с первого по шестой не используются. Передача данных в сторону провайдера осуществляется при помощи каналов от седьмого до 38-го. Для передачи в сторону клиента используются либо 250 каналов при условии применения эхокомпенсации в каналах 7 – 38, либо 218 – при отсутствии таковой. В каждом из каналов данные передаются со скоростью, ограниченной шириной полосы, но в целом эти скорости суммируются на принимающей стороне. Модуляция в каждом из каналов осуществляется по методу QAM. То, что DMT основывается на множественности каналов, делает этот способ модуляции идеальным для адаптивной передачи данных, когда полная пропускная способность изменяется в зависимости от качества канала передачи. По каждому из каналов можно осуществлять постоянный контроль, изменяя скорость передачи в зависимости от отношения «сигнал/шум» и количества сбоев. В определенной степени это относится и к способу CAP, но из-за гораздо большей ширины полосы точность подстройки значительно меньше.
Разработка новых способов модуляции приводит к появлению более высокоскоростных технологий, например, в VDSL используется TDM (метод частотного мультиплексирования). Суть его состоит в том, что передача информации ведется одновременно по 52 смещенным по частоте каналам, а в конце тракта проходит мультиплексирование (сложение) передаваемых по разным каналам пакетов в один высокоскоростной поток.
Для улучшения помехозащищенности в различных технологиях применяют какой-либо корректирующий код, например, в ADSL – код Рида-Соломона (Reed-Solomon – RS).
Канальный уровень DSL выполняет следующие важные функции:
описание структуры соединения – какие логические каналы сконфигурированы, на какой скорости они работают, какая часть кадра какому типу данных отведена и т. д.;
обнаружение ошибок с помощью циклических избыточных кодов (CRC);
операции администрирования и поддержки (OAM), например, индикация потери пилот-сигнала, индикация состояния дальнего конца соединения, индикация наличия ошибок в CRC-сумме и т. д.;
конфигурирование (с помощью канала управления) соединения и адаптация скоростей по логическим каналам в зависимости от качества медной пары и помеховой обстановки.
DSL имеет структуру кадров, схожую с SONET. Существуют схемы, по которым поверх этих кадров можно пропускать ячейки ATM, кадры IP, аудио- или видеопотоки.
Рассмотрим структуру кадра наиболее популярной технологии ADSL. Передаваемый по линии ADSL битовый поток организуется в кадры (упорядоченные битовые структуры), из которых, в свою очередь, формируется суперкадр (рис. 3). Биты внутри кадра могут группироваться не более чем в семь логических каналов (следующих подряд октетов). Данные каналы делятся на два класса:
до четырех независимых симплексных каналов входящего потока (AS0...AS3);
до трех дуплексных каналов (LS0...LS2).
Состав каналов и скорость передачи по ним в обоих направлениях определяются в ходе инициализации ADSL-соединения. Дискретность шага наращивания скорости любого канала составляет 32 кбит/с. Существуют спецификации ADSL, которые определяют допустимые варианты состава логических каналов и канальные скорости. В направлении «пользователь – сеть» предусмотрены только каналы LS.
Каждый кадр делится на две части: для передачи «быстрых» (критичных к задержке, но терпимых к ошибкам) и «чередующихся» (имеющих диаметрально противоположные требования) данных. Соответствующие данные записываются в одноименные буферы приемопередающих устройств ADSL. Термин «чередование» относится к способу защиты данных от ошибок, а не к способу наполнения буфера передающим устройством. Механизмы распределения данных по буферам и задания размера буферов в ходе инициализации соединения формируют некоторую систему исходных приоритетов данных, независимую от приоритетов, присваиваемых маршрутизаторами или коммутаторами. Таким образом, в принципе, можно говорить о двух путях распространения данных по соединению ADSL: путь «быстрых» данных (fast path) и путь «чередующихся» данных (interleaving path).
Между этими путями гибко перераспределяются логические каналы AS и LS в соответствии с выбранной конфигурацией ADSL-соединения. Содержимое кадров ADSL в конечном счете зависит от вида служб.
Имеются следующие особенности формирования кадров и суперкадров:
в суперкадре не существует абсолютных размеров для отдельных кадров – размер кадра зависит от скорости передачи по соединению;
кадры должны посылаться каждые 250 мкс («быстрые» и «чередующиеся» данные – каждые 125 мкс);
формат кадра унифицирован для конкретного соединения и выбирается в процессе инициализации соединения;
суперкадр отправляется каждые 17 мс;
размеры буферов определяются скоростью и структурой несущих каналов, когда выполняется первоначальное конфигурирование;
отсутствуют ограничения того, как или какие потоки бит пользователя заполняют «быстрые» и «чередующиеся» буферы. Стандарт ADSL предоставляет только механизм для передачи.
Вариант структуры кадра входящего направления передачи представлен на рис. 4. Заметим, что кадр всегда имеет «быструю» и «чередующуюся» части, но в данном примере пользовательские данные сосредоточены только во второй части.
В кадрах и суперкадрах предусмотрены области для передачи служебной информации (или, как часто говорят, «накладных расходов»), посредством которой реализуются функции логического уровня ADSL. Служебные поля кадров 34 и 35 имеют специальное назначение.
|
Кадр 0 |
Кадр 1 |
Кадр 2 |
Кадр 34 |
Кадр 35 |
Кадр 66 |
Кадр 67 |
Синхр. |
||
|
Кадры для коррекции ошибок и биты управления линией |
Кадр синхронизации |
Рис. 3. Структура суперкадра ADSL (длительность 17 мс)
|
«Быстрые данные» |
«Чередующиеся данные» |
||||
|
Быстрый байт |
AS0 |
AS1 |
AS2 |
LS0 |
Сл. информация |
|
1 октет |
64 октета |
64 октета |
64 октета |
2 октета |
2 октета |
Рис. 4. Вариант структуры кадра ADSL (к пользователю)
Процедуры логического уровня ADSL усложняются (по сравнению с TDM-технологией) следующими факторами:
1) потоки данных имеют асимметричную структуру – как по скорости, так и по форматам данных;
2) абсолютные размеры кадров ADSL могут изменяться в зависимости от выбранной скорости (длина суперкадра остается неизменной);
3) размеры буферов «быстрых» и «чередующихся» данных определяются скоростью и структурой несущих каналов при первоначальном конфигурировании соединения ADSL. Принципиально возможно изменение размеров буферов во время работы соединения ADSL.
Рассмотрим структуру кадра технологии HDSL как наиболее сложной с точки зрения использования линий связи.
Номинальная продолжительность каждого кадра HDSL составляет 6 мс (3504 квата или 7008 битов для четырехпроводной системы). Кадры HDSL содержат следующую информацию: ядро кадра (core frame), слова синхронизации, служебные кваты HDSL, или заголовки (overhead quat).
Ядро кадра (core frame) содержит 144 байтов (1152 бита). Структура этой части кадра зависит от типа передаваемых данных. Ядра расщепляются на битовом уровне для параллельной передачи в тайм-слотах (тайм-слот – один временной интервал – один бит) по двум линиям HDSL:
начальные и средние биты передаются параллельно по обеим линиям HDSL;
линия HDSL 1 служит для передачи бит с нечетными номерами до середины последовательности и с четными номерами, превышающими середину;
линия HDSL 2 используется для передачи четных бит с номерами до середины и нечетных с большими номерами;
последний тайм-слот HDSL заполняется единицами для выравнивания.
Слово синхронизации (synchronizationword) содержит семь кватов и служит для выравнивания кадров HDSL.
16 кватов заголовка HDSL (overheadquat) используются для передачи следующих данных:
индикация ошибок;
встроенный рабочий канал (Embedded Operations Channel или ЕОС). Канал EOC обеспечивает возможности управления и контроля за состоянием системы (состояние диагностических шлейфов и тестов, поддержка повторителей и т. п.) или заданные производителем оборудования специальные функции (например, загрузку конфигурационных параметров);
идентификация номера линии HDSL (семь кватов), позволяющая приемнику обнаруживать нечаянное перепутывание пар.
Учебное издание
МАЛЮТИН Андрей Геннадьевич
ТЕХНОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Конспект лекций
––––––––––––––––
Редактор Н. А. Майорова
* * *
Подписано в печать .10.2006. Формат 60 84 1/16.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,0.
Уч.-изд. л. 3,4. Тираж 150 экз. Заказ.
* *
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
PAGE 48