Компьютерные глобальные сети

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

БАЛАКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ 
 
 
 

                                                       Реферат

по  дисциплине

«Компьютерные сети»

на  тему:

«Компьютерные глобальные сети с коммутацией пакетов» 
 
 
 
 
 
 

        Выполнила: ст. 3 курса 57 гр.

                                                                                                        Якунина  С.В.  

                                                             Проверила: Плаксина Ю.А.   

                                                            «___»____________________                                                                                

2011 г

СОДЕРЖАНИЕ 

         Введение                                                                       3

1 КОМПЬЮТЕРНЫЕ ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ  С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ  5 

1. Коммутация пакетов с использованием виртуальных каналов                        5                                                                                                     

2 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ                                         11                                               

2.1 Сети  Х.25                                                                                                          11

2.2 Сети Frame Relay                                                                                                 11

2.3 Технологии АТМ                                                                                                 13

2.4 Технологии xDSL                                                                                                15

    Заключение                                                                                                                 16

    Список  литературы                                                                                                    17  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

       Глобальные  сети (Wide Area Networks, WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой территории - в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара. Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

       Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети предприятий, расположенные в разных городах  и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные  компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

       Глобальные  сети обычно создаются крупными телекоммуникационными  компаниями для оказания платных  услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети. Оператор сети (network operator) - это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый также провайдером (service provider), - та компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Владелец, оператор и поставщик услуг могут объединяться в одну компанию, а могут представлять и разные компании.

       Кроме вычислительных глобальных сетей существуют и другие виды территориальных сетей  передачи информации. В первую очередь  это телефонные и телеграфные сети, работающие на протяжении многих десятков лет, а также телексная сеть.

       Ввиду большой стоимости глобальных сетей  существует долговременная тенденция  создания единой глобальной сети, которая  может передавать данные любых типов: компьютерные данные, телефонные разговоры, факсы, телеграммы, телевизионное изображение, телетекс (передача данных между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал) и т. д., и т. п. На сегодня существенного прогресса в этой области не достигнуто, хотя технологии для создания таких сетей начали разрабатываться достаточно давно - первая технология для интеграции телекоммуникационных услуг ISDN стала развиваться с начала 70-х годов. Пока каждый тип сети существует отдельно и наиболее тесная их интеграция достигнута в области использования общих первичных сетей - сетей PDH и SDH, с помощью которых сегодня создаются постоянные каналы в сетях с коммутацией абонентов. Тем не менее каждая из технологий, как компьютерных сетей, так и телефонных, старается сегодня передавать «чужой» для нее трафик с максимальной эффективностью, а попытки создать интегрированные сети на новом витке развития технологий продолжаются под преемственным названием Broadband ISDN (B-ISDN), то есть широкополосной (высокоскоростной) сети с интеграцией услуг. Сети B-ISDN будут основываться на технологии АТМ, как универсальном транспорте, и поддерживать различные службы верхнего уровня для распространения конечным пользователям сети разнообразной информации - компьютерных данных, аудио- и видеоинформации, а также организации интерактивного взаимодействия пользователей. 
 
 
 
 
 
 
 

1 КОМПЬЮТЕРНЫЕ ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ  С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ 

       Сети  с коммутацией пакетов были разработаны  правительством США в 70-е годы для  обеспечения надежной цифровой передачи данных по телефонным линиям. Коммутация пакетов представляет собой метод  доставки сообщений, при котором  данные помещаются в небольших пакетах. Пакеты могут передаваться в место  назначения по различным маршрутам  сети коммутации пакетов. Разные пакеты сообщения могут иметь различные  маршруты. В маршрутизации трафика  важно достичь наилучшего маршрута и скорейшей доставки.

       Для пользователя виртуальный канал  между системами выглядит как  выделенная линия, связывающая системы  Реально передача осуществляется путем  разбиения информации на пакеты и  передачи ее по высокоскоростной линии  наряду с другими пакетами. На приемном конце ваши пакеты отделяются от других пакетов, принадлежащих другим пользователям и обрабатываются. Сеть коммутации пакетов обычно имеет много узлов и обеспечивает альтернативные и резервные маршруты.

       В 80-е годы для надежного объединения  локальных сетей и крупных  компьютеров в корпоративную  сеть использовалась практически одна технология глобальных сетей с коммутацией  пакетов - Х.25. Сегодня выбор стал гораздо шире, помимо сетей Х.25 он включает такие технологии, как Frame relay, xDSL и АТМ. 

       1.2 Коммутация пакетов с использованием виртуальных каналов 

       Техника виртуальных каналов, используемая во всех территориальных сетях с  коммутацией пакетов, кроме TCP/IP, состоит  в следующем.

       Прежде  чем пакет будет передан через  сеть, необходимо установить виртуальное  соединение между абонентами сети - терминалами, маршрутизаторами или  компьютерами. Существуют два типа виртуальных соединений - коммутируемый  виртуальный канал (Switched Virtual Circuit, SVC) и постоянный виртуальный канал (Permanent Virtual Circuit, PVC). При создании коммутируемого виртуального канала коммутаторы сети настраиваются на передачу пакетов динамически, по запросу абонента, а создание постоянного виртуального канала происходит заранее, причем коммутаторы настраиваются вручную администратором сети, возможно, с привлечением централизованной системы управления сетью.

       Смысл создания виртуального канала состоит  в том, что маршрутизация пакетов  между коммутаторами сети на основании  таблиц маршрутизации происходит только один раз - при создании виртуального канала (имеется в виду создание коммутируемого виртуального канала, поскольку создание постоянного  виртуального канала осуществляется вручную  и не требует передачи пакетов  по сети). После создания виртуального канала передача пакетов коммутаторами  происходит на основании так называемых номеров или идентификаторов  виртуальных каналов (Virtual Channel Identifier, VCI). Каждому виртуальному каналу присваивается значение VCI на этапе создания виртуального канала, причем это значение имеет не глобальный характер, как адрес абонента, а локальный - каждый коммутатор самостоятельно нумерует новый виртуальный канал. Кроме нумерации виртуального канала, каждый коммутатор при создании этого канала автоматически настраивает так называемые таблицы коммутации портов - эти таблицы описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определенный номер VCI. Так что после прокладки виртуального канала через сеть коммутаторы больше не используют для пакетов этого соединения таблицу маршрутизации, а продвигают пакеты на основании номеров VCI небольшой разрядности. Сами таблицы коммутации портов также включают обычно меньше записей, чем таблицы маршрутизации, так как хранят данные только о действующих на данный момент соединениях, проходящих через данный порт.

       Работа  сети по маршрутизации пакетов ускоряется за счет двух факторов. Первый состоит  в том, что решение о продвижении  пакета принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации. Вторым фактором является уменьшение доли служебной информации в пакетах. Адреса конечных узлов в глобальных сетях обычно имеют достаточно большую  длину - 14-15 десятичных цифр, которые  занимают до 8 байт (в технологии АТМ - 20 байт) в служебном поле пакета. Номер же виртуального канала обычно занимает 10-12 бит, так что накладные расходы на адресную часть существенно сокращаются, а значит, полезная скорость передачи данных возрастает. Режим PVC является особенностью технологии маршрутизации пакетов в глобальных сетях, в сетях TCP/IP такого режима работы нет. Работа в режиме PVC является наиболее эффективной по критерию производительности сети. Половину работы по маршрутизации пакетов администратор сети уже выполнил, поэтому коммутаторы быстро занимаются продвижением кадров на основе готовых таблиц коммутации портов. Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу в том, что не требуется устанавливать соединение или разъединение. Обмен пакетами по PVC может происходить в любой момент времени. Отличие PVC в сетях Х.25 от выделенной линии типа 64 Кбит/с состоит в том, что пользователь не имеет никаких гарантий относительно действительной пропускной способности PVC. Использование PVC обычно намного дешевле, чем аренда выделенной линии, так как пользователь делит пропускную способность сети с другими пользователями.

       Режим продвижения пакетов на основе готовой  таблицы коммутации портов обычно называют не маршрутизацией, а коммутацией  и относят не к третьему, а ко второму (канальному) уровню стека протоколов.

       Принцип маршрутизации пакетов на основе виртуальных каналов поясняется на рисунке 1. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета - запрос на установление соединения (обычно называемый Call Request), который содержит многоразрядный (в примере семиразрядный) адрес узла назначения.

       Рисунок 1 - Коммутация в сетях с виртуальными соединениями

       Пусть конечный узел с адресом 1581120 начинает устанавливать виртуальное соединение с узлом с адресом 1581130. Одновременно с адресом назначения в пакете Call Request указывается и номер виртуального соединения VCI. Этот номер имеет локальное значение для порта компьютера, через который устанавливается соединение. Через один порт можно установить достаточно большое количество виртуальных соединений, поэтому программное обеспечение протокола глобальной сети в компьютере просто выбирает свободный в данный момент для данного порта номер. Если через порт уже проложено 3 виртуальных соединения, то для нового соединения будет выбран номер 4, по которому всегда можно будет отличить пакеты данного соединения от пакетов других соединений, приходящих на этот порт.

       Далее пакет типа Call Request с адресом назначения 1581130, номером VCI 4 и адресом источника 1581120 отправляется в порт 1 коммутатора К1 сети. Адрес назначения используется для маршрутизации пакета на основании таблиц маршрутизации, аналогичных таблицам маршрутизации протокола IP, но с более простой структурой каждой записи. Запись состоит из адреса назначения и номера порта, на который нужно переслать пакет. Адрес следующего коммутатора не нужен, так как все связи между коммутаторами являются связями типа «точка-точка», множественных соединений между портами нет. Стандарты глобальных сетей обычно не описывают какой-либо протокол обмена маршрутной информацией, подобный RIP или OSPF, позволяющий коммутаторам сети автоматически строить таблицы маршрутизации. Поэтому в таких сетях администратор обычно вручную составляет подобную таблицу, указывая для обеспечения отказоустойчивости основной и резервный пути для каждого адреса назначения. Исключением являются сети АТМ, для которых разработан протокол маршрутизации PNNI, основанный на алгоритме состояния связей.

       В результате действия такой схемы  пакеты данных уже не несут длинные  адреса конечных узлов, а имеют в  служебном поле только номер виртуального канала, на основании которого и  производится маршрутизация всех пакетов, кроме пакета запроса на установление соединения. В сети прокладывается виртуальный канал, который не изменяется в течение всего времени существования  соединения. Его номер меняется от коммутатора к коммутатору, но для конечных узлов он остается постоянным.

       За  уменьшение служебного заголовка приходится платить невозможностью баланса  трафика внутри виртуального соединения. При отказе какого-либо канала соединение приходится также устанавливать  заново.

       По  существу, техника виртуальных каналов  позволяет реализовать два режима продвижения пакетов - стандартный  режим маршрутизации пакета на основании  адреса назначения и режим коммутации пакетов на основании номера виртуального канала. Эти режимы применяются поэтапно, причем первый этап состоит в маршрутизации  всего одного пакета - запроса на установление соединения.

       Техника виртуальных каналов имеет свои достоинства и недостатки по сравнению  с техникой IP- или IPX-маршрутизации. Маршрутизация каждого пакета без  предварительного установления соединения (ни IP, ни IPX не работают с установлением  соединения) эффективна для кратковременных  потоков данных. Кроме того, возможно распараллеливание трафика для  повышения производительности сети при наличии параллельных путей  в сети. Быстрее отрабатывается отказ  маршрутизатора или канала связи, так  как последующие пакеты просто пойдут по новому пути (здесь, правда, нужно  учесть время установления новой  конфигурации в таблицах маршрутизации). При использовании виртуальных  каналов очень эффективно передаются через сеть долговременные потоки, но для кратковременных этот режим  не очень подходит, так как на установление соединения обычно уходит много времени - даже коммутаторы технологии АТМ, работающие на очень высоких скоростях, тратят на установление соединения по 5-10 мс каждый. Из-за этого обстоятельства компания Ipsilon разработала несколько лет назад технологию IP-switching, которая вводила в сети АТМ, работающие по описанному принципу виртуальных каналов, режим передачи ячеек без предварительного установления соединения. Эта технология действительно ускоряла передачу через сеть кратковременных потоков IP-пакетов, поэтому она стала достаточно популярной, хотя и не приобрела статус стандарта. Особенностью всех подобных методов является ускорение передачи долговременных потоков пакетов. Технология IP-switching делает то же самое, но для кратковременных потоков, что хорошо отражает рассмотренные особенности каждого метода маршрутизации - маршрутизации на индивидуальной основе или на основе потоков пакетов, для которых прокладывается виртуальный канал. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ОСНОВНЫЕ  ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ
1. Сети Х.25

       Основу X.25 сетей составляют Центры Коммутации Пакетов (ЦКП), расположенные во многих городах и обеспечивающие доступ к сети. Обычно абонент получает доступ к сети, соединяясь с ближайшим  ЦКП, т.е. можно получить доступ к  сети из любого места, где есть телефонная связь, без привязки к конкретному ЦКП. Абоненты сети подключаются к ней для того, чтобы передавать информацию или принимать ее от других абонентов или хост-машин. Для этого в сети устанавливается временная логическая связь между этими абонентами, называемая виртуальным соединением. После установления виртуального соединения между абонентами может происходить обмен данными одновременно в двух направлениях (дуплекс), причем задержка передачи пакетов данных не превышает долей или нескольких секунд в зависимости от загруженности сети.

       Технология X.25 имеет следующие признаки:

       1) Наличие в структуре сети специального  устройства—PAD (сборщик-расборщик пакетов);

       2) Наличие трёхуровнего стека протоколов:

       а) Физический;

       б) Канальный;

       в) Сетевой. 

2. Сети  Frame Relay

       Стандарт  Frame Relay описывает интерфейс доступа к сетям с быстрой коммутацией кадров и обеспечивает функции первого, частично второго и третьего уровней модели OSI, включая в себя небольшой набор правил и процедур организации информационного обмена.

       Отличительной особенностью Frame Relay является отсутствие механизмов коррекции ошибок и управления потоком данных, характерных для X. 25. Кадр, принятый промежуточным или оконечным узлом с ошибками, сбрасывается сетью, а функции исправления ошибок возлагаются на протоколы более высоких уровней, например, TCP.

       Механизмы, с помощью которых обеспечивается надежная передача данных в X.25, предусматривают  квитирование и буферизацию кадров/пакетов, требующих подтверждения, повторную  передачу неправильно принятых кадров и некоторые другие алгоритмы. Эти  процедуры вносят дополнительные задержки, величина которых зависит от вероятности  возникновения ошибок на канальном  уровне звена передачи данных, а  также от загруженности буферной памяти промежуточных узлов.

       Отказ от этих алгоритмов уменьшает задержки в сети при передаче данных пользователей, а главное, позволяет их прогнозировать. Кроме того, из формата кадра исключается  несколько служебных полей. Таким  образом, сокращается протокольная избыточность, а следовательно, повышается эффективность использования пропускной способности канала. Такой подход ограничивает допустимую величину BER до 10-7 и предъявляет более строгие требования к качеству каналов.

       Абонентским доступом к сети Frame Relay управляет интерфейс "пользователь-сеть" (UNI — User-to-Network Interface). Его основной задачей является описание характеристик и особенностей мультиплексирования логических соединений PVC (Permanent Virtual Connection), а также контроль их состояния и конфигурации. Каждое такое логическое соединение обладает своим уникальным номером — DLCI (Data Link Connection Identifier).

       Как уже отмечалось, процедуры Frame Relay не предусматривают управления потоком данных. Вместо этого в стандарт заложены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, информирующие устройство пользователя о том, что ресурсы сети практически, исчерпаны. Стандарт Frame Relay определяет основные характеристики каждого логического соединения, в соответствии с которыми система варьирует темп передачи кадров в сеть абонентским устройством.

       Первой  такой характеристикой является гарантированная скорость передачи данных CIR (Committed Information Rate) — средняя скорость доставки сообщений конечному устройству. Вторая характеристика — гарантированный импульсный объем передаваемой информации Вc (Committed Burst Size) — определяет количество битов, которые могут быть переданы в сеть по PVC с. заданной гарантированной скоростью за время Т. Последний параметр — дополнительный импульсный объем передаваемой информации Be (Excess Burst Size) — указывает число бит, которые передаются в сеть без гарантии доставки. Если ресурсы сети позволяют, то кроме сообщения объемом Вc будет отправлен (со скоростью, превышающей CIR) дополнительный объем данных, меньший или равный Be. Все кадры при этом будут помечены битом DE: для любого устройства сети этот бит означает разрешение сбросить кадр в случае, если узел испытывает перегрузку. Всю информацию, переданную сверх объема, равного (Вc + Вe), сеть сбросит.

       Однако  сброс любого кадра влечет за собой  его повторную передачу в соответствии с процедурами коррекции ошибок протоколов более высокого уровня, а значит, сеть по-прежнему будет  перегружена. Чтобы проинформировать передатчик о необходимости снизить темп передачи кадров, для оконечных устройств виртуального канала создаются служебные сообщения BECN (Backward Explicit Congestion Notification) — они передаются источнику — и FECN (Forward Explicit Congestion Notification) — передаются адресату. Получение устройством такого сообщения означает необходимость снизить скорость передачи данных в сеть. 

3. Технологии  АТМ

       Подход, реализованный в технологии ATM, состоит  в представлении потока данных от каждого канала любой природы - компьютерного, телефонного или видеоканала  пакетами фиксированной и очень  маленькой длины - 53 байта вместе с небольшим заголовком в 5 байт. Пакеты ATM называются ячейками - cell. Небольшая длина пакетов позволяет сократить время на их передачу и тем самым обеспечить небольшие задержки при передаче пакетов, требующих постоянного темпа передачи, характерного для мультимедийной информации.

       При приоритетном обслуживании мультимедийного  трафика коммутаторами сети, его  пакеты будут вынуждены даже при  дисциплине относительных приоритетов  ожидать в худшем случае в течение  небольшого и фиксированного времени - времени передачи пакета из 53 байт, что при скорости в 155 Мб/с составит менее 3 мкс. Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не был большим по сравнению с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием - эти сети всегда работают по протоколу с установлением соединения и, адреса конечных узлов используются только на этапе установления соединения. При установлении соединения ему присваивается текущий номер соединения и в дальнейших передачах пакетов в рамках этого соединения (то есть до момента разрыва связи) в служебных полях пакета используется не адрес узла назначения, а номер соединения, который намного короче.

       В пакете имеется небольшой заголовок  в 5 байт, из которых 3 байта отводятся  под номер виртуального соединения, уникального в пределах всей сети ATM, а остальные 48 байт могут содержать 6 замеров оцифрованного голоса или 6 байт данных вычислительной сети. Небольшие пакеты фиксированной длины позволяют гарантировать небольшие задержки при передаче синхронного трафика. Ясно, что при отказе от жестко фиксированных канальных интервалов для каждого канала, идеальной синхронности добиться будет невозможно.

       Однако, если пакеты разных видов трафика будут обслуживаться с разными приоритетами, то максимальное время ожидания приоритетного пакета будет равно времени обработки одного пакета, и если эти пакеты небольшого размера, то и отклонение от синхронизма будет небольшое. Введение типов трафика и приоритетное обслуживание являются еще одной особенностью технологии ATM, которая позволяет ей успешно совмещать в одном канале синхронные и асинхронные пакеты. В сетях ATM соединение конечного узла с сетью осуществляется индивидуальной линией связи, а коммутаторы соединяются между собой каналами с уплотнением, которые передают пакеты всех узлов, подключенных к соответствующим коммутаторам.

       Сеть ATM имеет структуру, похожую на структуру  телефонной сети - конечные станции  соединяются с коммутаторами  нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами  более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов  для маршрутизации трафика в  сети коммутаторов. Коммутация пакетов  происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байтных адресов конечных станций. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных.

       Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети и использует префиксы, соответствующие  кодам стран, городов и т.п. Виртуальные  соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами. Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI. UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM и способы управления трафиком. 

4. Технологии  xDSL

       Существует  достаточно большое количество технологий высокоскоростной передачи данных, объединенных общим названием xDSL (Digital Subscriber Line или цифровая абонентская линия, где x - символ обозначающий конкретный тип технологий высокоскоростных цифровых абонентских линий DSL). Предоставление голосового трафика, подключение удаленных компьютеров, объединение ЛВС, организация соединения с провайдером, услуга "видео-по-запросу" или "платное ТВ", дистанционное обучение и т.п. - все это можно легко сделать, используя одну из DSL технологий. DSL позволяет перейти на новый технологический уровень использования медных линий, который обеспечивает достаточную пропускную способность для любого из предлагаемых пользователю приложений. При этом может быть организована не только выделенная линия с двумя модемами (например, при использовании технологии HDSL), но и цифровая абонентская линия, соединяющая станционное оборудование с модемом пользователя (ADSL или VDSL). В последнем случае сохраняется возможность использования абонентской линии для обычной аналоговой телефонной связи.