11.Характеристика протоколов транспортного и сетевого уровней tcp/ip.

Транспортный уровень (называемый также основным уровнем) обеспечивает обмен сообщениями между прикладными процессами. Идентификация процесса получателя осуществляется по расширенному адресу, состоящему из двух частей: IP-адреса, идентифицирующего оконечное устройство, и номера порта, идентифицирующего прикладной процесс. В данном случае «порт» – это не физический разъем или канальный вход/выход, а условный номер прикладного процесса или службы прикладного уровня.

В основном транспортный уровень стека TCP/IP соответствует транспортному уровню ЭМВОС. Однако в отличие от транспортного уровня ЭМВОС, на котором обеспечивается связь только с установлением соединения, на транспортном уровне стека TCP/IP поддерживаются два режима: с установлением соединения (при использовании протокола TCP) и без установления соединения (при использовании протокола UDP). Рассмотрим протоколы транспортного уровня TCP и UDP подробнее.

TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей. Обеспечивает гарантированную доставку сообщений в режиме с установлением соединения. Протокольный блок данных TCP называется сегментом (как и в ЭМВОС).

Установление логического соединения позволяет нумеровать сегменты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню сегменты в том порядке, в котором они были отправлены. Протокол TCP позволяет объектам одного ранга на компьютере-отправите и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме.

TCP предоставляет полноценную транспортную службу, которая обеспечивает обмен потоками данных. При этом протокол TCP не накладывает ограничений на состав потока, освобождая прикладной процесс от функции структурирования данных. Передача данных протоколу TCP аналогична их записи в неструктурированный файл.

Целостность потока данных обеспечивается квитированием, при этом для управления потоком данных используется механизм окна. Управление шириной окна позволяет защищать от перегрузок, как промежуточные узлы сети, так и буферную память протокола TCP, принимающего данные. Первую задачу решают маршрутизаторы, направляя протоколам оконечных станций требования об уменьшении размера окна. Вторая задача решается непосредственно протоколом TCP, который декларирует выбранную ширину окна, используя при необходимости и нулевую ширину окна, т.е. запрещая передачу.

Сегмент TCP состоит из полей заголовка и данных. Длина информационного поля данных сегмента W_С.И может меняться в широких пределах с учетом двух ограничений. Во-первых, каждый сегмент, включая его заголовок и заголовок IP-пакета не должен превышать 65535 = 2¹⁶–  байт. Во-вторых, в каждой сети есть соответствующая используемым ПБД максимальная единица передачи (MTU – Maximum Transfer Unit), в которую должен помещаться сегмент (вместе с заголовком IP-пакета). Впрочем, если сегмент (пакет) проходит через последовательность сетей и попадает в сеть, чья MTU-единица оказывается меньше него, то пограничный маршрутизатор фрагментирует его на несколько частей (см. далее).

Сегменты могут и не содержать поля данных, т.е. W_С.И = 0, при передаче квитанций и управляющих сообщений.

Формат заголовка сегмента приведен на рис.2.18.

Поля заголовка «№ порта отправителя» и «№ порта получателя» (по 16 бит каждое), идентифицируют службы прикладного уровня или прикладные процессы отправителя и получателя.

Поля «№ последнего переданного байта» и «№ первого ожидаемого на приёме байта» (по 32 бит каждое) используются для управления потоком данных. В отличие от циклической нумерации кадров и пакетов в сетях Х.25 (с циклами 8 и 128 ПБД) в данном случае нумеруются не ПБД (сегменты), а байты в сегменте. Причем цикл нумерации составляет 2³² байт = 4 Гбайт, т.е. он вполне может использоваться не для относительной нумерации (по кругу), а для абсолютной (например, для последовательной нумерации байт в передаваемых файлах).

Рис.2.18. Формат заголовка сегмента TCP

URG – указатель наличия срочных данных в сегменте.

ACK – указатель наличия осмысленных данных в поле «№ первого ожидаемого на приёме байта», являющихся квитанцией на ранее принятые данные. В противном случае (при ACK=0) указанное поле игнорируется.

PSH – указатель требования отправителя о том, чтобы получатель доставил данные в сегменте сразу прикладному процессу, а не хранил его в буфере.

RST – указатель запроса на сброс и переустановку соединения (из-за сбоя хоста или другой тупиковой ситуации).

SYN – признак служебных сегментов «Connection Request» – запрос соединения (при ACK=1) и «Connection Accepted» – согласие на соединение (при ACK=0).

FIN – признак того, что у отправителя нет больше данных для передачи. Используется для разрыва соединения.

Поле «Ширина скользящего окна» (16 бит) используется для управления потоком данных в виртуальном соединении и сообщает, сколько байт может быть послано после получившего подтверждения байта.

Поле «Контрольная сумма» (16 бит) содержит проверочную последовательность, позволяющую обнаруживать ошибки в сегменте. Заполняется и проверяется данное поле без использования циклического кодирования.

Поле «Указатель на срочные данные» содержит смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных. Поле проверяется в случае, когда флаг URG установлен в 1. Таким образом в протоколе TCP/IP реализуются прерывающие сообщения прикладного уровня.

В поле «Дополнительная информация» может использоваться хостами для передачи максимального размера сегмента, который они могут принять. По умолчанию этот размер равен 536 байт, что довольно мало и приводит к неэффективному использованию среды передачи. Максимальный размер буфера 65535 байт не всегда имеется в наличии у хостов, но и его наличия иногда бывает недостаточно для повышения эффективности в случае больших задержек в сети, так как максимальный размер окна как раз и составляет всего 65535 байт, что связано с ограниченным размером поля «Ширина скользящего окна» – 16 бит.

В целом протокол TCP поддерживает множество процедур, обеспечивающих эффективное управление TCP-соединением, передачей данных, борьбой с перегрузками, таймерами и т.д.

UDP (User Datagram Protocol) – дейтаграммный протокол пользователя. Не обеспечивает гарантированную доставку сообщений, а осуществляет ее «по возможности» («best effort») без установления соединения. Протокольный блок данных UDP называется дейтаграммой (или датаграммой от слова datagram). Таким же словом иногда называют IP-пакеты, поскольку они доставляются на сетевом уровне тоже без установления соединения.

UDP обеспечивает ретрансляцию услуг протокола IP приложениям. Т.е. прикладные программы через протокол UDP получают доступ к сетевому уровню, почти без обработки на транспортном уровне. Это позволяет приложениям по своим правилам (алгоритмам, протоколам) обмениваться дейтаграммами, эмулируя при необходимости недостающие протоколу UDP функции транспортного уровня, не пользуясь избыточными функциями TCP. Многие приложения «клиент – сервер» для того, чтобы обменяться одним запросом и ответом, предпочитают не устанавливать соединения, а пользоваться протоколом UDP (см. выше протоколы прикладного уровня, использующие транспортные услуги UDP).

Как и сегмент TCP дейтаграмма UDP состоит из заголовка и блока данных. Длина информационного поля данных дейтаграммы, как и сегмента, может достигать W_С.И = 65535 байт. А заголовок дейтаграммы намного проще, чем заголовок сегмента, и включает всего четыре 16-битных поля.

Поля заголовка «№ порта отправителя» и «№ порта получателя» (по 16 бит каждое), так же как аналогичные поля в заголовке сегмента, идентифицируют службы прикладного уровня или прикладные процессы отправителя и получателя.

Поле «Длина дейтаграммы» включает суммарный размер 8‑байтового заголовка и поля данных дейтаграммы.

Поле «Контрольная сумма» вычисляется и проверяется таким же способом, как и в сегменте TCP, включая аналогичный псевдозаголовок. Контрольная сумма может не вычисляться. Тогда это поле содержит нули.

Протокол UDP самостоятельно не может управлять потоком, следить за порядком следования дейтаграмм и переспрашивать искаженные или потерянные дейтаграммы (хотя обнаруживать искажения может).

Таким образом, основной функцией протокола UDP является мультиплексирование и демультиплексирование (распределение по портам) потока дейтаграмм между приложениями. Кроме этого, использование контрольной суммы позволяет контролировать достоверность данных.

Сетевой уровень является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень обеспечивает перемещение пакетов от одних оконечных устройств (граничных узлов, хостов) к другим через маршрутизаторы в пределах всей сети.

В основном сетевой уровень стека TCP/IP соответствует сетевому уровню ЭМВОС. Однако в отличие от сетевого уровня ЭМВОС, на котором обеспечивается связь как с установлением соединения, так и без установления соединения, на сетевом уровне стека TCP/IP поддерживается только один дейтаграммный режим – без установления соединения.

При формировании маршрутно-адресных таблиц маршртизаторов может использоваться как статическая, так и динамическая маршрутизация.

Статическая маршрутизация используется в оконечных установках локальных сетей, а также в сетях с ограниченным числом абонентов. Маршрутно-адресные таблицы заполняются администратором вручную на основе контролируемого регулярного трафика на отдельных участках сети.

Динамическая маршрутизация используется в сложных разветвленных сетях с изменяющимся трафиком, в частности, в сети Интернет. Маршрутно-адресные таблицы заполняются автоматически и постоянно корректируются на основе данных, содержащихся в служебных сообщениях, которыми маршрутизаторы обмениваются между собой.

Основным протоколом сетевого уровня является Internet protocol (IP) – межсетевой протокол, в связи с чем сети TCP\IP часто именуют IP‑сетями.

Протокол IP (Internet protocol) обеспечивает только маршрутизацию и доставку пакетов данных и полностью освобожден от задач обеспечения надежности. Функции транспортного и сетевого уровней четко разделены, чем исключено их дублирование.

Протокол IP реализуется программным обеспечением оконечных устройств пользователей и маршрутизаторов и не зависит от характеристик связывающих их WAN и LAN.

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов (например, от сетевого протокола IPX), является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными, максимально допустимыми значениями поля данных кадров (пакетов) MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доминирующие позиции в сложных составных сетях.

Поле «Номер версии» (Version) указывает версию протокола IP.

Поле «Длина заголовка» (IHL) указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах.

Поле «Приоритет» (Precedence) задает приоритетность пакета. Приоритет может иметь значения от самого низкого – 0 (нормальный пакет) до самого высокого – 7 (пакет управляющей информации).

Поле «Критерий» задает критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами, каждой из которых соответствует свой 1-битный флаг: малой задержкой – бит D (delay), высокой достоверностью – бит Т (true) и высокой пропускной способностью – бит R (rate).

Поле «Общая длина пакета» (Total Length of Packets) означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются.

Поле «Идентификатор фрагмента» (Identification) используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета.

Поле «Флаги» (Flags) содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит D (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит M (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Еще один бит поля зарезервирован.

Поле «Смещение фрагмента» (Fragment Offset) задает смещение в блоках по 8 байт поля данных этого фрагмента от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации.

Поле «Время жизни» (Time to Live) означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи.

Поле «Протокол верхнего уровня» (Protocol) указывает, какому протоколу верхнего уровня (или своего же – сетевого) принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP, дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF).

Поле «Контрольная сумма» (Header Checksum) рассчитывается только по заголовку пакета.

Поля «IP-адрес отправителя» (Source IP Address) и «IP-адрес получателя» (Destination IP Address) задают адресную информацию, необходимую для маршрутизации пакетов.

Поле «Опции» (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов.

Поле «Выравнивание» (Padding) используется для дополнения поля «Опции» (нулями) до величины, кратной 32-м бит.

Важной характеристикой сетевого уровня TCP/IP и IP-протокола является адресация в сети, существенно отличающаяся от адресации в других глобальных сетях.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов:

– физический (MAC-адрес);

– сетевой (IP-адрес);

– символьный (DNS-имя).

В терминологии TCP/IP под физическим (именуемым также локальным или аппаратным) адресом понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. В разных подсетях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес – это 6-байтовый МАС-адрес. Однако протокол IP может работать и над протоколами более высокого уровня, например над протоколом IPX или Х.25. В этом случае локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса IPX и Х.25.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями, размещая их в 4-х байтовых полях заголовка пакета (фрагмента) «IP-адрес отправителя» и «IP-адрес получателя». Принято записывать данные адреса в виде 4-х восьмеричных чисел (принимающих значения от 0 до 255), разделяемых точками: N₁.N₂.N₃.N₄, например, 192.68.0.1. IP-адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet – InterNIC (Internet Network Information Center), если сеть должна работать как составная часть Internet.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Для преобразования IP-адреса в локальный адрес и обратно используются протоколы ARP и RARP (см. далее). Каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Если конечный узел входит в несколько IP-сетей, то он должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Существуют 5 классов IP-адресов (A,B,C,D,E), отличающиеся количеством бит в номере сети и номере узла. Класс адреса определяется значением нескольких первых бит первого октета. A – предназначены для использования в больших сетях общего пользования. B – используются в сетях среднего размера, например, сетях университетов и крупных компаний. C – используются в сетях с небольшим числом компьютеров. D – используются при обращениях к группам объектов адресования, а E зарезервированы на будущее.

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.

1. Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет. Этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP (см.далее).

2. Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

3. Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast).

4. Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.68.10.255 доставляется всем узлам сети 192.68.10.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

С описанными классами IP-адресов связана проблема нехватки адресов из-за несоответствия размеров сетей (согласно классам) размерам реальных сетей. Сети класса А громадны, а класса С очень малы; свободных сетей класса В больше нет. Существуют несколько способов решения данной проблемы:

– разделение сетей на подсети путем, так называемого, «маскирования» общей части адреса;

– введение адресации, основанной на префиксах, разделяющих 32-битный адрес не на две части (номер сети и номер узла), а на большее количество частей, отражающих иерархическую вложенность подсетей, наподобие адресов ТФОП. Данный способ именуют технологией бесклассовой междоменной маршрутизации CIDR (Classless Inter-Domain Routing);

– использование трансляции адресов NAT (Network Address Translator). Узлам внутренней сети адреса назначаются так, так, как будто эта сеть работает автономно. Маршрутизатор, связывающий данную сеть с внешней сетью имеет некоторое количество внешних «нормальных» IP-адресов, которые при обращении к ним из вне преобразуются (транслируются) во внутренние IP-адреса.

– переход к новой 6-й версии протокола IP с размером адреса 128 байт.

Близким к третьему способу является способ, основанный на использовании протокола автоматического динамического назначения адресов DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), который часто используется для идентификации компьютеров пользователей, работающих в сети не постоянно, а сеансами в разное время и из разных мест подключения к сети, в том числе через ТФОП.

Символьные имена. Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня, объединяющего организации:

по географическому принципу (например, ru – Россия, ua – Украина, uk – Великобритания, us – США);

по организационному принципу (edu – образовательные заведения, com – коммерческие организации, net – сетевые организации, gov – государственные организации, mil – военные организации).

Пример символьного имени: cityline.spb.ru.

Дополнительные протоколы сетевого уровня

Наряду с протоколом IP к сетевому уровню стека TCP/IP принято относить также ряд вспомогательных служебных протоколов, дополняющих протокол IP множеством вспомогательных функций, в значительной степени определяющих облик современных IP-сетей и их возможности предоставления разнообразных сетевых услуг. В целом данные протоколы можно поделить на три группы

– сигнализации (IСMP);

– адресования и маршрутизации (ARP, RARP, IGMP, BGP, RIP, IGRP, OSPF и др.);

– обеспечения качества (RSVP, IntServ, DiffServ, MPLS и др.).

IСMP (Internet Control Message Protocol) – протокол обмена управляющими сообщениями. Позволяет маршрутизатору сообщить конечному узлу об ошибках, с которыми машрутизатор столкнулся при передаче какого-либо IP-пакета от данного конечного узла.

Сообщения протокола ICMP передаются по сети внутри пакета IP. Пакеты IP с сообщениями ICMP маршрутизируются точно так же, как и любые другие пакеты, без приоритетов, поэтому они также могут теряться. Кроме того, в загруженной сети они могут вызывать дополнительную загрузку маршрутизаторов. Для того, чтобы не вызывать лавины сообщения об ошибках, потери пакетов IP, переносящие сообщения ICMP об ошибках, не могут порождать новые сообщения ICMP.

Управляющие сообщения ICMP не могут направляться промежуточному маршрутизатору, который участвовал в передаче пакета, с которым возникли проблемы, так как пакет несет в себе только адрес источника и адрес назначения, не фиксируя адреса промежуточных маршрутизаторов.

Протокол ICMP - это протокол сообщения об ошибках. Конечный узел может предпринять некоторые действия для того, чтобы ошибка больше не возникала, но эти действия протоколом ICMP не регламентируются.

ARP (Address Resolution Protocol) – протокол разрешения адреса. Используется для преобразования IP-адреса в локальный адрес.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol) – реверсивный ARP протокол. Используется для преобразования локального адреса в IP-адрес.

IGMP (Internet Group Management Protocol) – межсетевой протокол управления группами. Используется для динамической регистрации отдельных хостов в многоадресной группе. Групповая IP-адресация позволяет уменьшать трафик за счет доставки одного потока информации сразу многим адресатам.

BGP (Border Gateway Protocol) – пограничный межсетевой протокол. Выполняет функции протокола маршрутизации между автономными системами. Является развитием протокола EGP (Exterior Gateway Protocol) – протокола внешних шлюзов. Может использоваться также внутри автономных систем в роли протокола внутренних шлюзов IGP (Interior Gateway Protocol), к которым также относятся протоколы RIP и IGRP. Имеет большой перечень опций, влияющих на выбор предпочтительных маршрутов.

RIP (Routing Information Protocol) – протокол маршрутной информации. Протокол маршрутизации по вектору расстояния. Основан на подсчете числа промежуточных ретрансляций в маршрутизаторах и не учитывает реальную пропускную способность каналов передачи данных между маршрутизаторами. Требует обмена между соседними маршрутизаторами сообщений об обновлении маршрутно-адресных таблиц. Самый старый протокол маршрутизации, постоянно критикуемый, но широко используемый в разных версиях.

IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) – протокол маршрутизации внутренних шлюзов. Является развитием протокола RIP. Использует составную метрику, вычисляемую на основе взвешенных математических значений задержки, скорости передачи , надежности и загрузки. Допускает многотрактовую маршрутизацию (с резервированием).

OSPF (Open Shortest Path Firs) – открытый протокол предпочтительного выбора кратчайшего пути. Протокол маршрутизации по состоянию канала. Основан на алгоритме Дейкстры (Dijrstra) поиска кратчайших путей.

RSVP (Resource reSerVation Protocol) – протокол резервирования ресурсов. Позволяет Internet-приложениям обеспечивать различное качество обслуживания QoS (Quality of Service) для разных потоков данных. Особенностью RSVP является то, что запросы на резервирование ресурсов (скорости передачи или, иначе, полосы пропускания) отправляются от получателей данных к отправителям.

IntServ (Integrated Service) – протоколы рабочей группы IETF по интегрированному обслуживанию. Предполагают сигнализацию из конца в конец на основе RSVP. Определяют три класса обслуживания: 1) по мере возможности; 2) с контролируемой загруженностью; 3) с гарантированным обслуживанием.

DiffServ (Differentiated Services) – протоколы рабочей группы IETF по дифференцированному обслуживанию. Предлагают более простой по сравнению с RSVP и IntServ и масштабируемый метод обеспечения QoS для приложений реального времени. Основан на переопределении 8-битного поля в заголовке IP «Тип сервиса» в поле «Дифференцированное ослуживание». Классифицирует и объединяет однотипные потоки. Требует модернизации микропрограммного обеспечения маршрутизаторов.

MPLS (Mult Protocol Label Switching) – многопротокольная коммутация меток. Благодаря данному протоколу сетевые устройства определяют маршруты на основании требований приложений к QoS и реальной пропускной способности промежуточных сетей на 2-м уровне ЭМВОС (относительно сетевого уровня TCP/IP). Является конкурентом DiffServ.

12. Архитектура и технологии построения сетей ISDN. Классификация служб и услуг. Особенности абонентского доступа.

ISDN (Integrated Services Digital Network) – цифровая сеть с интеграцией служб (ЦСИС). Относится к сетям, в которых основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются и передаются в цифровой форме. Является развитием цифровых телефонных сетей типа IDN (Integrated Digital Network) – интегральная цифровая сеть (ИЦС), в которых при наличии аналоговых абонентских линий интегрируется цифровое коммутационное и внутрисетевое (между АТС) каналообразующее оборудование, опирающееся на плезиохронные системы передачи (ПЦИ/PDH), а в настоящее время – и на синхронные системы передачи (СЦИ/SDH). Отличительной особенностью ISDN (в сравнении с IDN и ТФОП) является обеспечение полностью цифровых соединений между оконечными устройствами и поддержка большого набора речевых и неречевых служб, доступ к которым осуществляется через ограниченный набор стандартных многофункциональных интерфейсов.

Обычно под ISDN подразумеваются узкополосные сети N-ISDN (Narrow-band ISDN) или У-ЦСИС с максимальной предоставляемой скоростью 2 Мбит/с.

В сетях IDN предполагалось, что абоненты будут передавать только голосовые сообщения. Затем было решено, что нужна сеть, которая сможет предоставлять своим абонентам не только возможность поговорить между собой, но и воспользоваться другими услугами – в первую очередь передачей компьютерных данных. Кроме того, сеть должна была поддерживать для абонентов разнообразные услуги прикладного уровня - факсимильную связь, телетекс (передачу данных между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал), голосовую почту и ряд других.

Высокая техническая сложность пользовательского интерфейса, отсутствие единых стандартов на многие жизненно важные функции, а также необходимость крупных капиталовложений для переоборудования телефонных АТС и каналов связи привели к тому, что период становления ISDN затянулся на многие годы, и сейчас, когда прошло уже более десяти лет, распространенность сетей ISDN оставляет желать лучшего.

Концепция ЦСИС предполагает:

– стандартизацию услуг и видов обслуживания с той степенью детализации, которая обеспечивает совместимость терминалов при международной связи;

– стандартизацию ограниченного числа интерфейсов «пользователь-сеть», посредством которых обеспечивается доступ к услугам ЦСИС;

– стандартизацию функциональных возможностей, необходимых как для поддержки услуг интегрального обслуживания, так и для взаимодействия с другими сетями.

Основные принципы построения ЦСИС:

1. пользователям обеспечивается доступ к широкому диапазону служб, включая как речевые, так и неречевые службы;

2. все виды сообщений передаются в цифровой форме, начиная от оконечного абонентского устройства (абонентского терминала) пользователя;

3. соединения абонентов проходят по непрерывному (сквозному) цифровому каналу с использованием режима коммутации каналов (КК), однако предусмотрена возможность передача данных и с использованием режима коммутации пакетов (КП);

4. пользователи имеют доступ к сетевым службам через ограниченный набор стандартных многофункциональных интерфейсов (интерфейсов «пользователь-сеть»);

5. для подключения абонентских установок пользователей к узлам коммутации ISDN определен так называемый базовый (основной) доступ (интерфейс), который обеспечивает образование двух дуплексных информационных каналов (В-канал) по 64кбит/с и одного канала для абонентской сигнализации (D-канал) 16 кбит/с. Канальную структуру основного абонентского доступа принято обозначать по числу используемых каналов – 2B+D.

6. для подключения учрежденческих коммутационных станций ISDN определен так называемый первичный доступ, который предусматривает образование 30-ти дуплексных информационных В-каналов и одного D-канала (канал сигнализации) со скоростью 64 кбит/с (30В+D).

7. каждая абонентская установка пользователя имеет только один номер для вызова (абонентский номер) независимо от количества и вида используемых служб связи (речь, текст, данные, изображения), которыми пользуется абонент, и количества абонентских терминалов, входящих в абонентскую установку;

8. абонентские терминалы одной абонентской установки пользователя могут быть включены в конфигурации типа «шина», «звезда» и «от точки к точке»;

9. возможно установление соединения не только между установками пользователя (через сеть), но и между оконечными устройствами (терминалами) одной установки пользователя;

10. абоненты других сетей (аналоговой телефонной сети, сетей передачи данных) могут соединяться с абонентами ISDN через устройство сопряжения (шлюз).

Основными элементами сети ISDN являются абонентские установки пользователей и узлы коммутации, а также связывающие их между собой цифровые каналы физической среды передачи. Абонентские установки пользователей (АУП) включают терминальное оборудование (ТО или по-английски ТЕ – Terminal Equipment) TE1, TE2 и ряд других функциональных блоков (ФБ) TA, NT1, NT2, LT, ET, подключаемых друг к другу через стандартизованные контрольные точки (reference points): R, S, T, U, V. Узлы коммутации представляют собой, преимущественно, центры коммутации каналов (ЦКК), предоставляемых первичными сетями PDH (SDH), в том числе связывающих сеть ISDN с ТФОП и c сетями передачи данных (X.25, FR, TCP/IP, ATM). Узлы коммутации ISDN могут также выполнять функции ЦКП, но только в сети сигнализации СС№7 (допускающей передачу низкоскоростной пользовательской информации и сопряжение с сетями Х.25).

Рис.2.21. Типовая структура и состав сети ISDN

Рис.2.22. Архитектура сети ISDN

Обобщенно сеть ISDN можно представить в виде совокупности сетей КК, КП и СС №7, к которым через контрольные точки доступа подключается разнообразное терминальное оборудование (ТО), получая возможность интегрированного доступа к одной из этих сетей (см. рис.2.23).

Рис.2.23. Обобщенная структура сети ISDN

В качестве архитектуры ISDN в Рекомендации I.320 определена 7‑уровневая модель, аналогичная 7-уровневой ЭМВОС.

Часто в качестве архитектуры ISDN рассматривается модель из двух вложенных частей: области опорного сервиса и области телесервиса (см. рис.2.25), – соответствующих транспортной сети и телекоммуникационной сети в концептуальной модели информационной сети (см. рис.1.6 в пункте 1.1.1).

Указанные части (области) ISDN реализуют соответственно – опорный сервис (1-3 уровни ЭМВОС) или службы передачи (переноса) и телесервис (1-7 уровни ЭМВОС) или телеслужбы (предоставления связи), которые, собственно, и интегрируют в себе службы, функционирующие в У-ЦСИС:

Служба передачи (bearer service) – служба электросвязи, обеспечивающая возможность передачи сигналов между стыками сети с абонентскими оконечными устройствами, например служба передачи данных.

Телеслужба (teleservice) – служба электросвязи, обеспечивающая реализацию всех возможностей (включая функции терминалов) определенного вида связи между пользователями.

Рис.2.25. Обобщенная архитектура сети ISDN

Телеслужба организуется на базе службы переноса (телефонной сети, сети телекса и др.) и терминалов.

Различают две категории служб: интерактивные (диалоговые службы, службы с накоплением и службы по запросу) и с разветвленным режимом работы (типа радио и телевещания – с управлением предоставления информации со стороны пользователя и без).

Службы электросвязи предоставляют пользователям различные услуги связи. Услуга электросвязи (telecommunication facility) – это продукт деятельности сети по приему, обработке, передаче и доставке сообщений электросвязи.

Услуги принято подразделять на базовые (основные) услуги и дополнительные услуги.

Услуга электросвязи базовая (basic telecommunication facility) – услуга электросвязи, предоставляемая пользователю при каждом его обращении к определенной службе (или сети) электросвязи.

Услуга электросвязи дополнительная, факультативная (supplementary telecommunication facility, optional) – любая услуга электросвязи, предоставляемая любой службой (или сетью) в дополнение к ее базовой услуге, расширяя ее возможности и повышая удобство пользования ею.

Службы, организуемые в ISDN

В службах с коммутацией каналов дополнительные услуги могут предоставляться на определенный согласованный срок или для отдельного соединения. Дополнительные услуги подразделяются на обязательные для предоставления оператором и необязательные (могут предоставляться по усмотрению оператора).

Дополнительные услуги подразделяются на следующие группы:

– услуги, связанные с абонентским доступом (проверка доступа, смена службы, субадресация и т.п);

– услуги, связанные с соединением (сокращенный набор номера, повторный набор, переадресация, конференцсвязьи т.п.);

– услуги, связанные с информацией (выдача справок, указание номера вызывающего абонента, сигнализация о наличии электронной почты и т.п.).

В отличие от цифровой телефонной сети, в которой до абонентских устройств доводятся аналоговые сигналы, в ISDN цифровые сигналы доводятся непосредственно до абонентских устройств (терминального оборудования). Вот почему большинство рекомендаций МСЭ-Т по ISDN касается абонентской части сети – абонентского окончания, в части стандартизации:

1) характеристик функциональных блоков (ФБ) абонентской установки пользователя и контрольных точек (стыков) между ними;

2) характеристик интерфейсов доступа «пользователь-сеть» по различным цифровым каналам (с различной скоростью и различным функциональным предназначением)

Функциональные блоки абонентской установки пользователя.

ТЕ1 (Terminal Equipment) – терминальное оборудование или оконечное абонентское устройство первого типа, поддерживающее стандарты ISDN;

ТЕ2 – оконечное абонентское устройство второго типа, не поддерживающее стандарты ISDN. Для компьютеров терминальные адаптеры выпускаются в виде встраиваемых плат сетевых адаптеров;

ТА (Terminal Adapter) – терминальный адаптер или согласующее устройство, обеспечивающие преобразование стыков ТЕ2 в стыки ISDN;

NT1 (Network Termination) – сетевое окончание, которое обеспечивает подключения абонентской установки к абонентской линии (АЛ). Устройство NT1 может принадлежать оператору сети – европейский вариант, а может принадлежать пользователю – американский вариант;

NT2 – сетевое окончание, которое обеспечивает подключение нескольких оконечных абонентских устройств к NT1. Может совмещаться с NT1 в одном устройстве NT1/2. На рис.2.21 показаны возможные удаления TE от NT1/2;

LT (Line Terminal) – линейное окончание, обеспечивающее сопряжение системы коммутации с АЛ и выделяющее входные/выходные каналы;

ЕТ (Equipment Terminal) – станционное окончание, обеспечивающее сопряжение системы коммутации с различными входными/выходными каналами.

Контрольные точки (стыки) между функциональными блоками:

Иногда стыки (контрольные точки) ISDN называют «интерфейсами», однако здесь это название использовать не будем, чтобы не путать с описанными далее интерфейсами доступа к различным цифровым каналам.

R – стык между ТЕ2 и ТА. Количество таких интерфейсов определяется количеством типов ТЕ2, используемыми в ISDN;

S – четырехпроводный стык «пользователь-сеть», обеспечивающий сопряжение между блоком сетевого окончания NТ2 и оконечными абонентскими устройствами ТЕ (ТЕ1 или TE2+ТA);

Т – четырехпроводный стык, аналогичный S-стыку, обеспечивает сопряжение NT1 с NT2. Т-стык может быть групповым, то есть общим для нескольких S-стык;

U – стык между NT1 и LT, обеспечивает передачу сигналов по физической абонентской линии;

V – стык между LT и ЕТ.

Интерфейсы « пользователь-сеть»

Для ISDN особое значение имеют интерфейсы «пользователь-сеть», которые обеспечивают сопряжение оконечных устройств с системами коммутации. Данные интерфейсы должны предоставлять абоненту любую службу связи и обеспечивать возможность подключения к ней как специализированных, так и многофункциональных оконечных устройств.

Все службы связи ISDN основаны на цифровых каналах с различной скоростью, при этом требуемая скорость зависит от вида и количества одновременно используемых служб.

В ISDN определено два типа каналов, исходя из характера передаваемых по ним сигналов:

информационные каналы (основные каналы), по которым передается только полезная информационная нагрузка;

каналы сигнализации (служебные каналы), по которым передаются сигналы взаимодействия и управления (СВУ) для обеспечения установления соединения между оконечными устройствами и системами коммутации, или непосредственно между системами коммутации. По этим каналом в некоторых случаях могут передаваться и информационные сигналы, например, низкоскоростные данные.

Основные (информационные) каналы обозначаются буквами A, B и H.

Канал «А» (analog) – канал используемый для подключения аналоговых систем (по каналу тональной частоты).

Канал «B» (bearer) – основной (базовый) канал, используемый для передачи информации со скоростью 64 кбит/с. В-канал может разбиваться на несколько подканалов со скоростями 8, 16 и 32 кбит/с, каждый из которых может использоваться отдельным оконечным абонентским устройством.

Канал «H» (height) – высокоскоростной (широкополосный) канал, образуемый объединением нескольких В-каналов. Существует несколько типовых широкополосных каналов различаемых по цифрам после буквы Н.

Служебные каналы (сигнализации) обозначаются буквами D и E.

Канал «D» обеспечивает передачу сигналов управления и сигнализации (СВУ) между абонентской установкой и узлом коммутации на скорости 16 или 64 кбит/с;

Канал «Е» обеспечивает передачу СВУ между узлами коммутации сети на скорости 64 кбит/с.

При стандартизации ISDN было определено минимально возможное число видов абонентского доступа с различными градациями скоростей.

Интерфейс «пользователь-сеть» ISDN представляет собой набор каналов определенного типа и с определенными скоростями.

Сеть ISDN поддерживает два типа интерфейса «пользователь-сеть»: базовый BRI (Basic Rate Interface) или BRA (Basic Rate Access) и первичный PRI (Primary Rate Interface) или PRA (Primary Rate Access).

Базовый (основной) интерфейс BRI– это стандартный интерфейс доступа со скоростью 144 кбит/с. BRI предусматривает образование 2-х каналов по 64 кбит/с (В-каналы) и одного служебного канала абонентской сигнализации 16 кбит/с (D-канал). К интерфейсу BRI можно подключить до восьми различных ISDN-устройств. При этом каждому устройству выделяется свой индивидуальный номер (multiple subscriber numbers).

Для организации дуплексного режима используется технология одновременной выдачи передатчиками потенциального кода 2B1Q с эхо - подавлением и вычитанием своего сигнала из суммарного. Максимальная длина АЛ в этом случае составляет 5,5 км.

Первичный интерфейс PRI – это стандартный интерфейс доступа со скоростью 2048 кбит/с. PRI предусматривает образование 30-ти дуплексных В-каналов и одного служебного D-канала (канала сигнализации) со скоростью 64 кбит/с. Условно принято обозначать первичный интерфейс по количеству используемых каналов – 30B+D.

Данный интерфейс в отличие от BRI поддерживает только одно оконечное устройство и может применятся для подключения к сети ISDN локальных сетей (LAN), а также учрежденческих АТС (PABX), которые могут разбить PRI на множество BRI-интерфейсов.

В PRI в обоих направлениях передаются цифровые сигналы с суммарной скоростью 2048. Дополнительная пропускная способность (64 кбит/с) используется для обеспечения синхронизации между NT и системой коммутации.

В заключение рассмотрения технологии ISDN отметим особенности адресации в сети.

Адресация в сети ISDN

За основу адреса ISDN был взят формат международного телефонного плана номеров, описанный в стандарте ITU-T E.163. Однако этот формат был расширен для поддержки большего числа абонентов и для использования в нем адресов других сетей, например Х.25. Стандарт адресации в сетях ISDN получил номер Е.164.

В сетях ISDN различают номер абонента и адрес абонента:

Номер абонента соответствует точке Т подключения всего пользовательского оборудования к сети. Номер ISDN состоит из 15 десятичных цифр и делится, как и телефонный номер по стандарту Е.163, на поле «Код страны» (от 1 до 3 цифр), поле «Код города» и поле «Номер абонента».

Адрес абонента ISDN включает номер плюс до 40 цифр подадреса. Подадрес используется для нумерации терминальных устройств за пользовательским интерфейсом, то есть подключенных к точке S.

При вызове абонентов из сети, не относящейся к ISDN, их адрес может непосредственно заменять адрес ISDN. Например, адрес абонента сети Х.25, в которой используется система адресации по стандарту X.I21, может быть помещен целиком в поле адреса ISDN, но для указания, что это адрес стандарта Х.121, ему должно предшествовать поле префикса, в которое помещается код стандарта адресации, в данном случае стандарта Х.121. Коммутаторы сети ISDN могут обработать этот адрес корректно и установить связь с нужным абонентом сети Х.25 через сеть ISDN – либо коммутируя канал типа В с коммутатором Х.25, либо передавая данные по каналу типа D в режиме коммутации пакетов.