13.6. Глобальные компьютерные сети

Первоначально глобальные сети решали задачу доступа удален-ных ЭВМ и терминалов к мощным ЭВМ, которые назывались HOST-компьютер (часто используют термин сервер). Такие подключения осуществлялись через коммутируемые или некоммутируемые каналы телефонных сетей или через специальные выделенные сети переда-чи данных, например, работающие по протоколу Х.25.

Для подключения к таким сетям передачи данных использовались модемы, работающие под управлением специальных телекоммуника-ционных программ, таких как BITCOM, COMIT, PROCOM, MTEZ и т.д. Эти программы, работая под операционной системой MS-DOS, обес-печивали установление соединения с удаленным компьютером и об-мен с ним информацией.

С закатом эры MS-DOS их место занимает встроенное в операци-онные системы коммуникационное программное обеспечение. При-мером могут служить средства Windows 95 или удаленный доступ (RAS) в Windows NT.

В настоящее время все реже используются подключенные к глобальным сетям одиночные компьютеры. Это в основном до-машние ПК. В основной массе абонентами компьютерных сетей являются компьютеры, включенные в локальные вычислительные сети (ЛВС), и поэтому часто решается задача организации взаимо-действия нескольких удаленных локальных вычислительных сетей. При этом требуется обеспечить удаленному компьютеру связь с любым компьютером удаленной локальной сети и, наоборот, лю-бому компьютеру ЛВС с удаленным компьютером. Последнее ста-новится весьма актуальным при расширении парка домашних и переносных компьютеров.

Каким же образом и с использованием какого оборудования реша-ются эти задачи? В настоящее время существует великое множество организаций, предоставляющих такие услуги как за рубежом, так и в России [32]. В России крупнейшими глобальными компьютерными се тями считаются «Спринт-Сеть» - современное название Global One, сеть Инфотел, сети Роснет и Роспак, работающие по протоколу Х.25, а также сети RELCOM и Internet, работающие по протоколу TCP/IP, и многие другие.

Рис. 13.15. Принципы объединения компьютеров в глобальных сетях

В качестве сетевого оборудования используются центры коммута-ции, которые для сетей Х.25 часто исполняются как специализиро-ванные устройства фирм-производителей Siemens, Telnet, Alcatel, Ericsson и др., а для сетей с TCP/IP используются маршрутизаторы фирм Cisco и Decnis. Структуры сетей показаны на рис. 13.15.

Рассмотренные два направления развития техники и технологии Х.25 и TCP/IP в глобальных сетях не единственные. На сегодняшний день в связи с улучшением качества каналов существенное распро-странение получают новые технологии, такие как рассмотренная вы-ше ATM и усовершенствованная технология Х.25 для высококачест-венных каналов - Frame Relay.

Протокол FRAME RELAY (FR). Frame Relay - это протокол, кото-рый описывает интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации паке-тов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик и обеспечивает высокие скоро-сти прохождения информации через сеть, малые времена задержек и рациональное использование полосы пропускания.

В отличие от сетей Х.25 по сетям FR возможна передача не только собственно данных, но также оцифрованного голоса [22].

Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых сис-тем OSI (рис. 13.16), FR - протокол второго уровня. Однако он не вы-полняет некоторых функций, обязательных для протоколов этого уровня, но выполняет функции протоколов сетевого уровня. В то же время FR позволяет устанавливать соединение через сеть, что в со-ответствии с OSI относится к функции протоколов третьего уровня.

Рис. 13.16. Соответствие уровней протоколов различных системных архитектур модели OSI

Выполнение этой функции по протоколу FR аналогично установлению соединения по протоколу Х.25 в том случае, когда используются по-стоянные виртуальные соединения (Permanent Virtual Circuits - PVC).

Совокупность PVC может быть проложена внутри каждого физиче-ского канала. Выбор конкретного PVC - логического маршрута, про-ложенного через сеть, - определяется значением поля DLCI (Data Link Connection Identifier - идентификатор соединения по звену пере-дачи данных) кадра FR (рис. 13.17).

Для обращения к ресурсу управления сети в протоколе FR исполь-зуются кадры со значением DLCI, равным 0. Следует уточнить, что они используются не для передачи информации от одного абонента сети к другому, а именно как служебные для изменения и мониторин-га параметров самой сети.

Возможность использования коммутируемых виртуальных соеди-нений (Switched Virtual Circuits - SVC) в сетях FR описывается фа-культативными протоколами.

За исключением функции установления соединения, все осталь-ные процедуры, описываемые протоколом FR, укладываются в два уровня модели OSI.

Frame Relay и Х.25. Сопоставим структуры кадра протокола LAPB с заключенным в нем пакетом Х.25 (рис. 13.18) и кадра протокола FR (см. рис. 3.17).

По своей структуре кадр FR аналогичен кадрам LAPB (HDLC). Однако в нем отсутствуют некоторые поля, характерные для протоколов уровня звена передачи данных (канального). На рис. 13.17 видно, как уменьша-ется число служебных байтов при переходе от X.25/LAPB к FR.

Рис. 13.17. Структура кадра Frame Relay

Заметим, что такое сопоставление кадров правомерно, поскольку сети FR в некоторых случаях выступают альтернативой сетям Х.25. Так, ЛВС могут подключаться к территориальной сети непосредст-венно по интерфейсу FR. Тогда FR выполняет те же функции по обеспечению взаимодействия удаленных ЛВС, которые в других слу-чаях выполняет Х.25.

Сеть FR также может выступать в качестве высокоскоростной ма-гистрали для объединения ряда сетей Х.25. Этому способствует на-личие у большинства современных устройств ПАД/ЦКП сетей Х.25 портов FR.

Более подробно отличия механизмов сетей FR и Х.25 прослежи-ваются в табл. 13.4.

Плата за скорость. Каковы же основные механизмы, реализуе-мые протоколами канального и сетевого уровней сетей Х.25 и не реа-лизуемые протоколом FR? В первую очередь это механизм повторной передачи принятых с ошибкой кадров.

В сетях Х.25 гарантированная передача данных обеспечивается на канальном уровне. Это означает, что все переданные между двумя узлами сети кадры будут получены в той же последовательности, в которой были отправлены. В случае искажения какого-либо кадра происходит его повторная передача. Кроме того, на сетевом уровне, определяемом рекомендацией Х.25, гарантируется передача пакетов, содержащихся в поле данных кадров, что обеспечивает целостность потока данных даже в случае выхода из строя некоторых каналов передачи данных.

Для реализации этой функции в служебные поля кадров и пакетов вводятся специальные переменные - номер передаваемого кадра (пакета) и номер последнего успешно принятого (пакета):

Кадр FR не содержит переменных нумерации передаваемых и подтверждаемых кадров.

Рис. 13.18. Структура кадра LAPB

Таблица 13.4. Механизмы сетей Х.25 и Frame Relay

В сетях FR при межузловом обмене информацией ошибочные кадры просто «выбрасываются», их повторная передача средствами самого протокола FR не предусмотрена. Чтобы обеспечить гаранти-рованную и упорядоченную передачу информации, надо использо-вать либо протоколы более высоких уровней (например, TCP/IP), либо «приложения» к протоколам FR (например, Q.922).

В каких случаях использование «чистого» FR эффективно? Если качество каналов отвечает требованиям, предъявляемым стандартом FR (вероятность ошибки порядка 1СГ⁷), и ЛВС подключаются к сети напрямую (без дополнительной инкапсуляции (включения) трафика ЛВС в кадры Х.25 или HDLC), то выигрыш по пропускной способности очевиден.

Действительно, протокол FR имеет минимальную протокольную избыточность (т.е. доля служебной информации в кадре по отноше-нию к содержащейся в нем информации пользователя минимальна) по сравнению даже с HDLC-подобными протоколами, обычно исполь-зуемыми в мостах/маршрутизаторах удаленного взаимодействия ЛВС. В то же время FR позволяет производить маршрутизацию ин-формации в рамках территориальной сети на «своем» уровне, без использования механизмов маршрутизации по Х.25 или IP. Это зна-чительно увеличивает скорость маршрутизации.

Однако ситуация в корне меняется, если качество канала не соот-ветствует требованиям протокола. В этом случае немало кадров бу-дет передаваться с ошибкой. Повторная их передача будет произво-диться от одной точки входа в сеть до другой. Ясно, что при этом ин-формационная скорость значительно упадет и использование Х.25 может быть более эффективным.

Специфические механизмы FRAME RELAY. Управление загруз-кой сети. Эффективность FR определяется на самом деле не только уменьшением протокольной избыточности. В протоколе реализуются специфические механизмы, управляющие загрузкой сети, которые гарантируют доведение кадров через сеть за определенное время (что позволяет, например, передавать оцифрованную голосовую ин-формацию) и при этом дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерному во времени трафику. Эти механизмы отчас-ти заменяют процедуру управления потоком в том виде, в котором она определена в HDLC-подобных протоколах.

Регулирование загрузкой сети описывается параметрами CIR (Committed Information Rate - согласованная информационная ско-рость - измеряется в бит/с) и Be (Committed burst size - согласован-ный импульсный объем переданной информации - измеряется в би-тах), назначаемыми для каждого PVC. Обычно CIR меньше, чем фи-зическая скорость подключения пользователя к порту сети FR.

При подключении к сети пользователь обычно получает значения CIR и Вс по каждому PVC. Он может передавать информацию либо с постоянной скоростью, равной CIR, либо с большей скоростью, но только в течение ограниченного времени, значение которого опреде-ляется формулой Т = Bc/CIR.

Если пользователь передает информацию в строгом соответствии с полученными величинами CIR и Вс, а сеть функционирует надежно, то за счет рационального распределения ресурсов сети передача данных с требуемым качеством гарантируется.

Если пользователь не укладывается в рамки, задаваемые значе-ниями CIR и Вс, то все «избыточные» кадры передаются сетью с установленным битом DE (Discard Eligible), т.е. признаком разре-шения сброса.

Сброс кадров происходит в том случае, когда в сети возникает пе-регрузка. Насколько опасна передача «избыточных» кадров, зависит от организации служб конкретной сети.

Правильно используя механизм управления загрузкой сети, можно оптимальным образом сочетать в одном физическом канале типы трафика, имеющие различные вероятностно-временные ха-рактеристики.

Управление потоком. Frame Relay не предусматривает механизма управления потоком информации в том виде, в котором он реализо-ван в HDLC. Кадры управления потоком в HDLC «разрешают» или «запрещают» передающей стороне дальнейшую передачу.

Вместо этого в кадре FR используются биты FECN (Forward Explicit Congestion Bit - бит явной сигнализации переполнения, направляе-мый вперед - получателю) и BECN (Backward Explicit Congestion Bit -бит явной сигнализации переполнения, направляемый назад - источ-нику). FECN информирует принимающую сторону о перегрузке в сети. На основании анализа частоты поступления FECN-битов приемник дает указание устройству передачи снизить интенсивность передачи. Торможение потока происходит средствами протоколов более высо-ких, чем FR, уровней (Х.25, TCP/IP и т.п.). BECN посылается на пере-дающую сторону и является рекомендацией немедленно снизить темп передачи. В большинстве типов ООД используется только один из указанных битов.

В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. При этом вместо них применяются неявные (implicit) механизмы регулиро-вания потока, которые реализуются с помощью средств протоколов более высокого уровня. В TCP/IP, например, применяется в основном механизм неявной коррекции. Следует уточнить, что в любом случае механизм неявной коррекции обладает большей инерционностью, чем механизм явной коррекции. При неявной коррекции управление потоком может сработать с запозданием, когда ситуация переполне-ния в сети уже станет критической.

Если пользователь уверен, что администрация магистральной се-ти даже при нулевом значении CIR обеспечит ему необходимую про-пускную способность, то он может не слишком заботиться о регулиро-вании потока информации, передаваемой его устройством доступа. В противном случае пользователь должен удостовериться, что меха-низмы защиты от перегрузки (а значит, и от потери данных), реализо-ванные в используемом им устройстве доступа к сети, являются эф-фективными [22].

Рассмотренные в главе технологии постоянно развиваются. Кажу-щиеся сегодня перспективными технологии завтра таковыми не бу-дут. Таким образом, только постоянный анализ развития сетевых тех-нологий позволит правильно выбрать наиболее удачную, отвечаю-щую конкретным требованиям пользователя.