Общие вопросы технологий сетей пакетной коммутации

1.1. Основные термины и определения

Сети и системы передачи информации представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информационными сообщениями между абонентами с заданными параметрами качества. По системам и сетям передаются телефонные сообщения фиксированной и подвижной (мобильной) связи, цифровые данные компьютеров, видеоинформация.

Сообщение - форма представления информации, удобная для передачи на расстояние. Отображение сообщения обеспечивается изменением какого-либо параметра информационного сигнала, который представляет собой определенный физический процесс. В сетях и системах передачи сообщений используются электромагнитные сигналы, передача и прием которых производится по направляющей среде: по медным проводам, по оптическому волокну или беспроводной среде распространения. Процесс обмена сообщениями посредством электромагнитных сигналов получили название электросвязь.

Множество источников и приемников сообщений, соединенных между собой аппаратными средствами и средой передачи сигналов (линиями связи), образуют сеть передачи информации (инфокоммуникационную сеть). Абоненты, получающие услуги инфокоммуникационных сетей по обмену сообщениями (компьютерными данными, аудио- и видеоинформацией), являются пользователями сетевых услуг.

Аппаратура абонентов ( рис. 1.1) представлена узлами (У) или, по-другому, конечными узлами сетей, которым соответствует широко распространенное англоязычное наименование Host (хост). Соединение многочисленных узлов, находящихся на большом расстоянии между собой, обычно производится через транзитные (промежуточные) сетевые элементы (СЭ) или пункты связи.

Рис. 1.1. Сеть передачи сообщений

Конечные узлы сетей (серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны, телефонные аппараты и т.д.) создают и принимают передаваемые сообщения, обычно в виде цифровых данных. Конечные узлы всех видов условно представлены на рис. 1.1 в виде компьютеров. Сетевые элементы направляют передаваемые сообщения по определенному пути (маршруту) от источника до получателя и управляют передаваемым потоком данных.

Таким образом, инфокоммуникационная сеть представляет собой совокупность узлов (У) и сетевых элементов (СЭ), соединенных линиями (каналами) связи. При этом сетевые элементы производят переключение (коммутацию) поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети рис. 1.1 при передаче сообщения от конечного узла У1 узлу У6 сетевой элемент СЭ1 производит коммутацию сообщения с входного интерфейса В на выходной интерфейс С, сетевой элемент СЭ3 - с входного интерфейса В на выходной Е. При этом формируется определенный канал (или маршрут), по которому передается сообщение. Процесс формирования канала и передачи сообщения с входного интерфейса на выходной получил название коммутация. В сетях с коммутацией каналов сформированный канал передается абонентам (пользователям) на определенное время или в постоянное пользование.

В некоторых сетях все возможные маршруты заранее созданы и необходимо только выбрать оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил название маршрутизация, а устройство ее реализующее - маршрутизатор. Таким образом, промежуточные сетевые элементы могут выполнять функции коммутаторов, которые формируют маршрут, и (или) маршрутизаторов, которые производят выбор оптимального маршрута.

Совокупность передаваемых сообщений, или последовательность информационных единиц, объединенных общими признаками, получила название информационный поток.

По отдельным соединениям (линиям связи) сети может одновременно передаваться несколько сообщений, которые не должны мешать друг другу. Поэтому для каждого сообщения в линии связи создается свой канал. Процесс формирования каналов и объединения (уплотнения) нескольких исходных (трибутарных) потоков на передающей стороне получил название мультиплексирование, а разделение объединенного (агрегированного) потока на его составляющие на приемной стороне называется демультиплексирование. Эти процессы реализуют сетевые элементы мультиплексоры, входящие в состав систем передачи информации.

В связи с большим разнообразием видов передаваемых сообщений и сигналов, среды распространения, методов и устройств коммутации или маршрутизации сигналов и информационных потоков существующие сети классифицируются согласно требованиям Единой сети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ РФ). Разнообразные классификационные признаки, характеристики, параметры обусловили большое количество видов (типов) сетей, примерами которых могут служить:

• сети транспортные и сети доступа;
• сети магистральные и местные;
• телефонные сети общего пользования (ТфОП), т.е. сети фиксированной связи, и сети подвижной связи (сотовые, спутниковые);
• сети передачи данных (компьютерные, телеграфные);
• сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов;
• сети локальные и глобальные.

В настоящем курсе рассматриваются, в той или иной степени, все сети передачи информации с вышеприведенными классификационными признаками. За основу принята классификация сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В сетях с коммутацией каналов предварительно сформированный канал предоставляется в распоряжение абонентов, обменивающихся сообщениями. Поэтому в таких сетях сравнительно легко обеспечиваются требования безопасности и качества передачи сообщений, однако эффективность использования канала сравнительно низкая. Формирование каналов реализуют коммутаторы.

В сетях с коммутацией пакетов все возможные маршруты заранее созданы (скоммутированы) и маршрутизатор выбирает оптимальный путь. Эффективность использования каналов в сетях с коммутацией пакетов выше, чем в сетях с коммутацией каналов. Поэтому сети с коммутацией пакетов стали основой при создании всемирной сети Интернет.

Всемирная сеть Интернет образована совокупностью сетей операторов и провайдеров (Internet Service Provider - ISP) фиксированной и мобильной связи ( рис. 1.2). Провайдеры ISP предоставляют доступ в Интернет (и связанные с этим услуги) отдельным пользователям (абонентам), а также пользователям, объединенным в локальные сети, примером которых являются домашние сети, а также сети малых предприятий, компьютерные классы.

Интернет является глобальной сетью передачи информации на Земле, создавшей единое информационное пространство. Функционирование Интернета базируется на технологиях сетей с коммутацией пакетов, основу которых составляет разработанный набор (стек) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - Протокол управления передачей/Межсетевой протокол). Стек протоколов TCP/IP представляет собой совокупность правил, позволяющих абонентам совместно использовать сетевые ресурсы.

Рис. 1.2. Схематичное изображение сети Интернет

Как правило, сетевые ресурсы и услуги сосредоточены на выделенных серверах, которые представляют собой компьютеры с соответствующим серверным программным обеспечением, например, веб-серверы. На компьютерах пользователей сетевых услуг устанавливается клиентское программное обеспечение, например, веб-браузеры. Для получения требуемых услуг клиенты обращаются к серверам.

Создание Всеобъемлющего Интернета (Internet of Everything - IoE) предполагает объединение в рамках общего сетевого пространства не только всех видов компьютеров пользователей, но и бытовых приборов, а также технологических процессов.

При движении к созданию Всеобъемлющего Интернета (IoE) получил развитие целый ряд сетевых технологий:

• веб-журналы (блоги), представляющие собой персональные дневники;
• вики-ресурсы - дневники, создаваемые группой людей, например, википедия;
• подкасты - технологии, позволяющие предоставлять созданные пользователями аудио-файлы широкой аудитории через блоги и вики-ресурсы;
• технологии Tele Presence, которые позволяют в режиме реального времени проводить видеоконференции;
• системы обмена мгновенными сообщениями (Instant Messaging - IM) также относятся к технологии реального времени, когда общение обычно происходит между двумя собеседниками;
• одноранговые сети (peer-to-peer) и их приложения P2P, позволяющие пользователям обмениваться сообщениями без их загрузки и хранения на выделенном сервере.

Сравнивая между собой сети с выделенными серверами и одноранговые сети, следует отметить, что сети peer-to-peer проще. В них компьютеры могут выступать в роли, как серверов, так и клиентов. Однако в одноранговых сетях сложнее реализовать управление и безопасность, сети Р2Р плохо масштабируются. Поэтому в настоящее время большее распространение получили сети с выделенными серверами.

Новые инфокоммуникационные технологии позволяют студентам использовать на занятиях сетевые ресурсы учебных заведений через личные планшеты и смартфоны. Доступ к ресурсам учебного заведения может быть организован через проводную или беспроводную сеть. Использование собственных устройств сотрудников и учащихся получило специфическое название "принеси свое собственное устройство" (Bring Your Own Device - BYOD). При этом используются совместные ресурсы сети предприятия и устройств сотрудников. Однако в этом случае локальные сети предприятий и учебных заведений необходимо перестраивать, поскольку возрастает риск безопасности из-за того, что личные устройства не контролируются сотрудниками информационной службы предприятия или вуза.

Другой способ получения дополнительных ресурсов - облачные вычисления, когда через Интернет по подписке или через оплачиваемые услуги можно получать доступ к приложениям, организовать хранение файлов. При этом экономятся финансовые средства, т.к. нет необходимости создания дополнительного программного обеспечения или развертывания новых серверов.

Крупные предприятия, создавая собственные корпоративные сети, выделяют в них области сети (сегменты), предназначенные только для сотрудников (интранет), а также области, где внешние (сторонние) партнеры получают доступ к некоторым (ограниченным) ресурсам сети (экстранет). Экстранет обычно представлен серверами, к которым имеют доступ внешние пользователи, например, предоставление пациентам доступа к серверу для записи на прием к врачу.

1.2. Локальные и глобальные сети

Локальные сети (Local Area Network - LAN) функционируют в пределах ограниченного географического пространства (в пределах комнаты, этажа, здания или группы близко расположенных зданий). Совокупность нескольких локальных сетей, объединенных линиями связи, называют составной, распределенной или глобальной сетью (Wide Area Network - WAN). Глобальные сети обеспечивают связь между далеко расположенными локальными сетями, удаленными пользователями ( рис. 1.3). Сети WAN должны переносить различные типы трафика (голос, видео, данные) с требуемым качеством обслуживания. Сети WAN строят на основе различных технологий, в том числе с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.

Рис. 1.3. Локальные и глобальные сети

Любые сети (локальные, глобальные) включают три составляющих: устройства, среда передачи, услуги (сервисы). Сетевые устройства на рис. 1.3 представлены конечными узлами (Host) и промежуточными устройствами: коммутаторами (Switch), маршрутизаторами (Router).

Среда передачи на рис. 1.3 представлена черными прямыми линиями соединений Ethernet и молниевидными линиями глобальных соединений. В качестве среды в сетях передачи могут использоваться медные и волоконно-оптические кабели, а также радиоканалы беспроводной среды. При выборе среды передачи данных необходимо учитывать скорость и расстояние, на которое требуется передавать сигналы, а также условия эксплуатации (город, сельская местность, горы, болота и т.д.). Определяющую роль часто играет стоимость оборудования, прокладки кабелей, стоимость эксплуатации.

Конечные узлы (host) сетей создают и принимают передаваемые по сети сообщения (компьютеры, видеокамеры, сетевые принтеры, аппараты IP-телефонии и т.д.). Конечные узлы всех видов условно представлены на рис. 1.3 в виде компьютеров. Чтобы передача сообщений была адресной, всем узлам должны быть присвоены адреса.

Промежуточные сетевые устройства (маршрутизаторы, коммутаторы) сами не создают и не изменяют передаваемые сообщения, но выбирают наилучший путь от источника до адресата назначения и управляют передаваемыми потоками, обеспечивая требуемый уровень качества и безопасности передаваемой информации, фильтруя потоки данных. При выходе из строя основного маршрута промежуточные устройства перенаправляют сообщения по альтернативным путям.

Локальные сети LAN, функционируя на ограниченном географическом пространстве при ограниченном количестве пользователей, обеспечивают более высокую скорость передачи сообщений по сравнению с глобальными сетями WAN. Управление локальными сетями обычно производится одной организацией, что повышает качество и безопасность передаваемой информации. Администрирование глобальных сетей, разнесенных на большие расстояния, реализуют разные провайдеры ISP. Причем, для разных информационных потоков, передаваемых по глобальным сетям, предъявляются разные требования по скорости, информационной безопасности и надежности.

Интернет сервис-провайдеры ISP обеспечивают доступ в Интернет, используя различные технологии. В настоящее время все более широкое распространение получают технологии оптических сетей доступа с обобщенным названием FTTx. Технология Fiber-To-The-Curb (FTTC) предусматривает передачу сигнала от оператора или провайдера, предоставляющих услуги глобальных сетей, до распределительного узла, связанного с пользователями (абонентами). Распределительный узел может быть один на несколько зданий. От распределительного узла до здания передача информации ведется с использованием технологии Fiber-To-The-Building (FTTB). Технологии Fiber-To-The-Home (FTTH) предусматривает передачу оптического сигнала до квартиры пользователя.

Кроме FTTB, FTTH для доступа пользователей в Интернет широко используются технологии передачи сигналов по медным кабелям. Ассиметричные (ADSL) и симметричные (SHDSL) цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line) передают сообщения по аналоговым телефонным линиям с использованием DSL-модемов. В сетях DSL используется частотное разделение каналов (телефонного, канала получение и канала передачи сообщений). Скорость получения информации обычно составляет несколько Мбит/с и выше. С увеличением расстояния между абонентом и провайдером скорость передачи снижается.

Коммутируемый доступ по аналоговым телефонным линиям (Dial-up) через модем в настоящее время практически не используется.

Для подключения к Интернету домашних сетей и сетей малых предприятий операторы кабельного телевидения широко используют уже проложенные медные коаксиальные кабели. Кабельные технологии, также как DSL, обеспечивают постоянный доступ в Интернет с высокой скоростью.

Операторы сотовой связи предоставляют беспроводные модемы, что делает пользователя мобильным, однако скорость передачи информации существенно ниже кабельного и DSL подключений.

В удаленных труднодоступных местах, когда невозможно использовать вышеперечисленные технологии доступа можно воспользоваться спутниковыми системами связи.

Для подключения корпоративных сетей (intranet) требуются широкополосные сети доступа на основе технологий плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) цифровых иерархий. Потоки иерархии PDH обеспечивают скорость передачи от 2 Мбит/c до 139 Мбит/c, синхронный цифровой иерархии - от 155 Мбит/c до 10 Гбит/c и выше. Кроме того используются соединения MetroEthernet со скоростями передачи информации 10 Гбит/c, 40 Гбит/c, 100 Гбит/c.

На рис. 1.4 приведены основные технологии локальных и глобальных сетей передачи данных.

Рис. 1.4. Классификация технологий сетей передачи данных

В сетях с коммутацией пакетов ( рис. 1.4) основной является технология Интернет протокола (Internet Protocol - IP), которая использует дейтаграммный метод передачи сообщений. Совместимыми с IP-сетями являются сети технологии на основе протокола коммутации по меткам (Multi Protocol Label Switching - MPLS). В настоящее время MPLS рассматривается в качестве основной транспортной технологии для сетей с пакетной коммутацией. Активно развивается технология Ethernet операторского класса для глобальных сетей (Carrier Ethernet Transport - CET). Сети, использующие технологии виртуальных каналов (X.25; сети трансляции кадров Frame Relay - FR; Asynchronous Transfer Mode - ATM), вытесняются технологиями IP.

Глобальные сети с коммутацией каналов ( рис. 1.4) используют технологии плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH), синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH), а также технологии оптических линий связи спектрального уплотнения по длине волны (Wave-length Division Multiplexing - WDM). В настоящее время внедряются технологии оптических транспортных сетей -ОТС (Optical Transport Network - OTN), объединивших технологии систем цифровой иерархии SDH и спектральное уплотнение по длине волны WDM.

Технологии транспортных сетей с коммутацией каналов PDH, SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных. Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH - от 155 Мбит/с до 40 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных достигнуто в системах со спектральным уплотнением по длине волны (технологии CWDM, DWDM) на волоконно-оптических кабелях. Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми цифровыми линиями связи являются мультиплексоры (MUX).

В сетях с коммутацией пакетов в зависимости от предъявляемых требований могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях ATM, Frame Relay или технологии передачи дейтаграммных сообщений - сети IP технологий. В сетях с виртуальными каналами предварительно прокладывается маршрут, по которому передаются данные. После приема данных адресат подтверждает их получение. Это обеспечивает надежность передачи.

Технология X.25 использует ненадежные аналоговые линии связи, поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени, например, в сетях банкоматов, из-за своей высокой надежности при ненадежных линиях. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных до 2 - 4 Мбит/с. Но линии связи должны быть более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155 или 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость.

Компромиссное решение по цене и скорости передачи данных предоставляют IP-сети, получившие в настоящее время наиболее широкое распространение. Поэтому на базе технологии IP сетей и технологии протокола коммутации по меткам MPLS создается транспортный уровень современных сетей. В дейтаграммных IP-сетях соединение предварительно не устанавливается и подтверждение приема данных не производится. Для обеспечения надежности сети создаются на базе стека (набора) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Именно протокол TCP обеспечивает надежность передачи.

Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно развивается в последнее время, это технология виртуальных частных сетей (Virtual Private Network - VPN). Данная технология использует сеть общего пользования Интернет, в которой формирует защищенные каналы связи с гарантированной полосой пропускания. Таким образом, при экономичности и доступности сети VPN обеспечивают безопасность и секретность передаваемых сообщений. Используя VPN, сотрудники фирмы могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной сети компании через Интернет.