Сетевые уровни

Некоторые примеры сетевых протоколов

Протокол 802.3 достаточно прост, и сетевые интерфейсы за счет массового производства весьма дешевы. Станция может быть подключена к сети без прерывания работы других сетевых устройств. Задержка доступа к сетевой среде при малых загрузках практически равна нулю. В Ethernet присутствует аналоговая обработка сигналов, ведь станция должна уметь обнаружить сигнал другой станции даже, когда она сама занята передачей кадра (способность обнаружить столкновение). Ограничение на минимальную длину кадра, налагаемое из-за задержек в сегментах и необходимости детектирования столкновений, приводит к снижению эффективности, так как для передачи одного байта при нажатии клавиши будет передаваться 64-байтный кадр. Задержка отклика при возникновении в системе определенных условий в 802.3 непредсказуема и может варьироваться от миллисекунды до десятка секунд в зависимости от ситуации в сети. Здесь обычно не предусмотрено приоритетов, а при высоких загрузках возможно снижение пропускной способности сети до нуля. Следует заметить, что если в сети, построенной с привлечением скрученных пар, используются только переключатели (с полным дуплексом), столкновения практически исключены, но это сохраняет неопределенности времени доступа и доставки, так как время пребывания кадра в буферах (очередях) может варьироваться в весьма широких пределах.

Сеть 802.4 (маркерная шина) использует стандартный телевизионный кабель и соответствующее стандартное интерфейсное оборудование, выпускаемое многими производителями. Степень неопределенности доступа к сетевой среде здесь меньше, чем в случае 802.3, хотя повторные потери маркера в критические моменты могут создать серьезные проблемы. Здесь поддерживаются приоритеты, и по этой причине эти сети более удобны для задач реального времени. Сеть может быть сконфигурирована для гарантированного пропускания определенного трафика, например цифрового голоса или мультимедиа. 802.4 имеет хорошую нагрузочную характеристику и неплохо работает при высоких загрузках. Широкополосный кабель в данном случае может поддерживать несколько каналов не только для данных, но и для речи или телевидения. Протокол 802.4 крайне сложен, задержка доступа к сетевой среде определяется приходом маркера. Станция вынуждена ждать маркер даже в условиях, когда других станций нет в наличии. Протокол мало приспособлен для работы с оптическим волокном.

Протокол 802.5 (маркерное кольцо) использует соединение "точка-точка" и работает исключительно с цифровыми данными. В качестве физической среды можно использовать что угодно: скрученную пару, коаксиальный кабель или оптическое волокно. Понятно, что самым дешевым решением для ограниченных расстояний является скрученная пара. Это одна из немногих сетей, где возможно автоматическое обнаружение и парирование обрывов связи. Так же как и в 802.4, она поддерживает приоритетное обслуживание, но станция, прежде чем получит доступ к сетевой среде, должна дождаться свободного маркера. Здесь допустимы кадры минимально достаточной длины. Но допустимы и сколь угодно длинные кадры, размер которых ограничивается только регламентным временем удержания маркера. Нагрузочная характеристика этой сети близка к идеальной. Уязвимой частью сети 802.5 является центральный монитор. Ниже представлена сравнительная таблица рассмотренных трех протоколов (табл. 12.3).

Следующий уровень после локальных сетей (LAN) занимают районные сети университетов, научных центров, крупных фирм и т.д. ( MAN – Metropolitan Area Network). Для реализации таких сетей применяются соответствующие сетевые протоколы – SDH (Synchronous Digital Hierarchy), DQDB (Distributed Queue Dual Bus – распределенная очередь и двойная шина) и т.д. Оба протокола пригодны для организации опорных сетей, объединяющих локальные сети. Наметилась тенденция применения технологии 10GE для сетей уровня МАN.

Сети с двойной шиной и распределенной очередью DQDB используют алгоритм доступа, называемый распределенным переключением пакетов ( QPSX — Queued-Packet Distributed-Switch). Здесь используется две несвязанные однонаправленные шины, сформированные из цепочки соединений "точка-точка". Описание работы сети содержится в документе IEEE 802.6. Пропускная способность сети составляет 150 Мбит/с (планируется 600 Мбит/с), максимально возможная длина сети — 160 км. Максимальное число узлов равно 512. В качестве транспортной среды можно использовать одно- и мультимодовое оптическое волокно (длина волны 1300 нм). Средняя частота ошибок (BER) составляет 10-9. По сетям DQDB пересылаются, так же, как и по ATM-каналам, ячейки фиксированного размера (L = 53 байта). Формат поля данных совместим с некоторыми типами AAL.

Ячейка DQDB отличается от ячейки ATM тем, что не содержит поля VPI (идентификатор виртуального пути), а поле VCI имеет на 4 бита больше. Упрощенная схема подключения узлов к сети показана на рис. 12.10. Шины А и Б служат для передачи ячеек в противоположных направлениях. Если станция намерена передать ячейку по шине Б, она должна выполнить резервирование заранее на шине А. Каждый из узлов подключен к обеим шинам. По каждой из шин всегда циркулирует фиксированное число контейнеров. Содержимое контейнеров может передаваться с одной шины на другую.

Рис. 12.10.

Для опорных сетей (LAN и MAN) в настоящее время разрабатывается новый стандарт — IEEE 802.17. В этой сети предусматривается гибкая система управления трафиком.

Совсем еще недавно почти все учебники и просто книги о сетях начинались с изложения 7-уровневой модели построения сетей ISO (International Standardization Organization). Этой модели уже не один десяток лет. В основе модели лежит вполне логичный принцип: форматы данных и протоколы взаимодействия для перехода с уровня N на N+1 и обратно должны быть идентичными. Это может существенно упростить программирование и гарантирует совместимость различных программных продуктов. На первых порах (при разработке ISDN, X25 и пр.) этот принцип соблюдался — во всяком случае, для первых трех уровней (физического, канального и сетевого, см. http://book.itep.ru/4/43/iso_431.htm, а также описание сети ISDN). Предполагалось, что со временем протокольные требования будут реализованы аппаратно для всех уровней кроме, может быть, прикладного. Разработчики стека протоколов TCP/IP вначале также пытались следовать этим рекомендациям. Но вскоре выяснилось, что слепое выполнение требований по межуровневым интерфейсам вызывает много функциональных ограничений. В стеке TCP/IP неформально используются понятия четырех уровней (L1-L4). Но здесь проследить аналогию можно лишь на физическом уровне L1, хотя и здесь возникают проблемы из-за протокольного многообразия оборудования. Некоторые виды оборудование уровня L2 могут фильтровать пакеты по IP-адресам (уровень L3) и даже по портам (уровень L4). Для оборудования L3, например маршрутизаторов, отбор по номеру порта становится практически общепринятым.

Сегодня трудно себе представить, как можно было бы реализовать, например, протокол MPLS или туннельные технологии в рамках 7-уровневой модели.

Исторически первыми появились крупные сети типа ISDN/X.25, одно время они конкурировали с TCP/IP, и даже обсуждалось, какие из них лучше. Сегодня ISDN сохраняет за собой нишу телефонии, но полагаю, она постепенно сужается, теснимая IP-телефонией.