Структуризация телекоммуникационных сетей

РЕФЕРАТ

на тему: «Структуризация телекоммуникационных сетей»

1. Особенности структуризации сетей

Структура связей и процедуры организации взаимодействия наиболее просты в локальных сетях. С точки зрения технологий передачи данных локальные сети, как правило, однородны, т.е. все узлы используют одни и те же алгоритмы и средства передачи данных. Эта однородность обеспечивает высокий уровень стандартизации, что существенно облегчает как создание сетей, так и их эксплуатацию. Технология сети в основном определяется процедурами MAC – уровня, от этих процедур зависят ее основные свойства. Основной сетевой ресурс – разделяемая среда передачи данных (канал связи), и эффективность управления им (МАС – процедуры) в значительной степени определяют общую эффективность работы. Локальные сети предназначены для работы при относительно малых расстояниях и небольшом числе узлов. Благодаря однородности технологии и разделяемой среде передачи данных с простой топологией связей локальные сети обладают высокой функциональной гибкостью, легко модернизируются, не требуют сложных коммуникационных устройств. Очень распространены в современных системах управления техническими объектами.

Но, при определенных требованиях к системе передачи данных, их достоинствами могут превратиться в недостатки и существенные ограничения. Наиболее важные ограничения – это ограничения на длину связей, количество узлов и производительность (трафик). Кроме того, однородность технологии передачи данных тоже может быть существенным ограничением, В распределенных системах управления могут существенно различаться задачи, решаемые различными подсистемами, а, следовательно, и требования к средствам передачи данных. Возникает необходимость создавать всю телекоммуникационную сеть по самым жестким требованиям, а это приводит к существенным дополнительным затратам. Большинство указанных ограничений можно обойти, если однородную локальную сеть разделить на несколько структурных компонентов.

Первым уровнем структуризации является разделение сети на логические сегменты, в пределах сегмента элементы образуют отдельную самостоятельную локальную сеть со всеми необходимыми атрибутами и свойствами. Каждый логический сегмент может даже использовать свою, независимую от других сегментов сетевую технологию. Естественно, что для нормальной работы возникает необходимость организации передачи данных между логическими сегментами. Эта связь между сегментами реализуется дополнительными коммуникационными устройствами, они специально создаются для решения именно этих задач. Логические сегменты тоже могут образовывать свои топологические структуры и т.д.

При дальнейшем усложнении топологии для логических сегментов могут действовать те же ограничения, что и для узлов локальной сети, усложняются задачи коммуникационных устройств. Возникает необходимость в дальнейшей структуризации, а это приводит к тому, что канальный уровень уже не может справиться с возрастающими требованиями. При сложной топологии сети требуется решать задачи определения путей (маршрутов) передачи данных, для этого необходимы специальные алгоритмы и средства, которые и являются основным содержанием сетевого уровня. Все эти процедуры выходят за рамки технологий локальных сетей и составляют основу, так называемых, глобальных сетей.

2. Физическая и логическая топология

Как уже отмечалось, физическая топология сети определяется структурой физических линий связи, а логическая топология зависит от путей передачи данных. Если специальные коммуникационные устройства не используются, физическая и логическая топологии совпадают. Например, в CAN – сети и физическая, и логическая топологии – общая шина. Достаточно часто в локальных сетях требуется применение концентраторов (хабов), а они преобразуют топологию сети. В Ethernet и Token ring физическая топология – звезда, а логическая топология – общая шина и кольцо соответственно (рис. 1). Структуризация локальной сети производится применением специальных коммуникационных устройств: мостов, коммутаторов, маршрутизаторов и шлюзов. Мосты и коммутаторы предназначены для разделения сети на логические сегменты. Маршрутизаторы являются основными средствами решения задач сетевого уровня. Шлюзами обычно называют коммуникационные устройства для объединения сетей с разными сетевыми технологиями, могут одновременно с этим выполнять функции мостов или маршрутизаторов.

В рамках канального уровня возможно только разделение локальной сети на логические сегменты. Т.е. мосты и коммутаторы являются средствами канального уровня, и используемые ими алгоритмы и процедуры не должны выходить за пределы задач канального уровня. В логический сегмент объединяют узлы по функциональному или территориальному признаку. Наиболее эффективным считается выделение в логический сегмент рабочих групп – узлов с преимущественным трафиком между элементами внутри группы (например, 80% – внутренний трафик, 20% – внешний трафик). Используемые алгоритмы работы мостов и коммутаторов обеспечивают для логических сегментов локализацию потока данных.

Рис. 1. Физическая и логическая топология сети

Логические сегменты только частично изолированы друг от друга. Трафик между узлами одного сегмента не должен выходить за пределы этого сегмента, а сообщения, направленные в другие сегменты, должны поступать к получателям. Сеть сохраняет связь между элементами разных сегментов, и в то же время изолирует поток данных внутри каждого сегмента. Таким образом, все возможности локальной сети по передаче данных между узлами сохраняются, и одновременно уменьшается суммарный трафик в разделяемом канале связи. Полная изоляция сегментов достигается только в виртуальных локальных сетях, в этом случае реализуется полный запрет передачи данных между сегментами.

Локализация трафика в логических сегментах позволяет существенно снизить нагрузку на канал связи. Например, если трафик сегментов соответствует правилу 80/20, при разделении сети на 5 сегментов получим следующие результаты. При суммарном трафике 5Т 80% являются внутренним для каждого сегмента (0,8Т) и только 20% поступают во все сегменты (1,0Т), т.е. трафик каждого сегмента 0,8Т+1,0Т=1,8Т (1,2Т если «внешние» сообщения поступают только в один сегмент). Для неструктурированной сети трафик всех сегментов составляет 5Т и примерно в 2,8 (4) раза больше. Для Ethernet в определенных условиях при перегрузке канала связи и меньшее снижение нагрузки может во много раз снизить вероятность коллизий и существенно повысить эффективность системы передачи данных.

3. Коммуникационные устройства локальных сетей

Ранее было показано, что работа в составе локальной сети требует корректного и эффективного выполнения определенных процедур канального уровня, начиная от формирования кадра с учетом алгоритмов контроля данных и восстановления искаженных или утерянных в процессе передачи данных (LLC подуровень) и заканчивая управлением доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC подуровень). Все эти задачи канального уровня должны решаться каждым узлом локальной сети, поэтому все узлы обязательно содержат коммуникационные устройства (в компьютерных сетях – сетевые адаптеры, в CAN-сети – CAN-контроллеры), реализующие эти процедуры канального уровня. Зачастую задачи, решаемые этими устройствами, выходят за пределы канального уровня и, например, включают достаточно сложные процедуры контроля и диагностики работы элементов сети.

В локальных сетях, даже без разделения на логические сегменты, может потребоваться применение дополнительных коммуникационных устройств. Например, преобразование физической топологии «звезда» в логическую топологию «общая шина» или «кольцо» производится концентраторами (хабами). Хаб – наиболее простое коммуникационное устройство, его функции заключаются в ретрансляции поступающих на один из входных портов сообщений на другие выходные порты. Выполняя такие операции, хаб изменяет логическую топологию сети. Обычно порты хаба двунаправленные (вход / выход) и таких портов – несколько. Естественно, что хаб должен работать строго в соответствии с MAC-процедурами. Как правило, хабы выполняют дополнительные контрольные функции и могут отключать порты с некорректно работающими узлами сети. Хаб не является полноценным узлом локальной сети, т.е. он не имеет собственного MAC-адреса и не может быть ни отправителем, ни получателем сообщений. Таким образом, хаб объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду передачи данных в соответствии с используемой сетевой технологией.

Для разделения единой среды передачи данных на логические сегменты в локальных сетях применяют более сложные коммуникационные устройства: мосты и коммутаторы. Мосты и коммутаторы также реализуют только MAC-процедуры и, следовательно, являются устройствами для решения задач канального уровня. Как правило, они тоже не имеют самостоятельных MAC-адресов и не могут быть ни отправителями, ни получателями сообщений. В отличие от хабов мосты и коммутаторы обеспечивают селективную ретрансляцию поступающих сообщений, разделяя локальную сеть на относительно самостоятельные логические сегменты. Если получатель сообщения находится в одном логическом сегменте с отправителем, поступившее сообщение не передается на другие выходные порты. Если поступившее сообщение адресовано в другой сегмент, оно либо повторяется на всех выходных портах, либо только на том, который соответствует адресуемому логическому сегменту. Для такой селективной ретрансляции мосты и коммутаторы должны производить анализ MAC-адресов всех поступающих сообщений. Очевидно, что эта необходимость существенно усложняет работу этих коммуникационных устройств. Обычно мост содержит один общий процессор обработки сообщений для всех портов и поэтому выполняет обработку сообщения только одного логического сегмента (порта). Остальные порты должны в это время принимать поступающие сообщения в буферные ЗУ и ожидать в очереди на обработку. Это может существенно снижать производительность сети.

Коммутаторы содержат процессоры обработки сообщений в каждом порту и поэтому обеспечивают независимую и одновременную обработку сообщений каждого логического сегмента (порта). Коммутаторы могут производить обработку сообщений с полной буферизацией или «на лету». Из-за относительно низкой производительности мосты в настоящее время практически не применяются.

Достаточно часто возникает необходимость в использовании в разных логических сегментах сети различных сетевых технологий. В этих случаях коммуникационные устройства должны на разных выходных портах реализовывать различные MAC-процедуры. Устройств, позволяющие объединять в единую сеть сегменты с разными сетевыми технологиями, принято называть шлюзами (gate way). Шлюзы, кроме функций коммутаторов, должны выполнять преобразование форматов сообщений и реализовывать необходимые MAC-процедуры для каждого сегмента. Особенно актуальны такие задачи в сложных составных сетях.

4. Техническая реализация коммутаторов

Для эффективной работы в коммутаторах необходимо обеспечить одновременную передачу сообщений между разными портами, т.е. пропускная способность должна соответствовать суммарной пропускной способности портов. Каждый порт должен содержать буферное ЗУ для хранения сообщений в случаях, когда выходной порт (или его канал связи) занят передачей другого сообщения. Наиболее жесткие требования по быстродействию предъявляются к коммутаторам при обработке сообщений «на лету».

В настоящее время используется три основных схемы реализации коммутаторов: коммутационные матрицы, разделяемую память, общую шину. Достаточно часто эти схемы могут комбинироваться в одном коммутаторе. Но в любом варианте реализации все порты коммутатора должны образовывать полносвязаную конфигурацию, т.е. сообщения из каждого порта должны при необходимости поступать в любой другой порт.

Коммутационная матрица (рис. 2) обеспечивает самый быстрый способ взаимодействия портов и представляет собой комбинационную логическую схему, обеспечивающую передачу сигналов от каждого порта к любому другому порту. Очень часто ее строят подобно многоступенчатым матричным дешифраторам, сигналы управляющие направлением передачи формируются на основе анализа MAC – адреса и добавляются к исходному сообщению (так называемый тэг), быстродействие элементов матрицы соизмеримо со скоростью передачи данных. Однако сложность коммутационной матрицы очень существенно возрастает при увеличении количества портов коммутатора.

Рис. 2. Реализация коммутационной матрицы с помощью двоичных переключателей

В коммутаторах с общей шиной (рис. 3) порты связаны высокоскоростной шиной, обеспечивающей производительность большую, чем суммарная производительность портов. Сообщения по внутренней шине должны передаваться небольшими порциями – ячейками, это необходимо для предотвращения задержек передачи других сообщений. Общая шина не предусматривает буферизации ячеек. Каждый порт принимает все ячейки, с помощью тэгов накапливает в буфере те ячейки, которые адресованы ему и передает их в выходной канал.

Рис. 3. Архитектура общей шины

Взаимодействие портов коммутатора можно организовать с помощью двухвходовой разделяемой памяти (рис. 4). Запись в разделяемую память из входных портов осуществляется также ячейками с помощью менеджера очередей, аналогичным образом производится чтение данных для передачи в выходные порты.

Рис. 4. Архитектура разделяемой памяти

Два последних способа предъявляют весьма высокие требования по быстродействию элементов коммутатора.

5. Алгоритм «прозрачного» моста

Корректность работы коммутаторов в значительной степени зависит от корректности информации о составе каждого логического сегмента. Эта информация хранится в коммутаторах в так называемых адресных таблицах (таблицах коммутации), в виде записей о соответствии MAC-адресов узлов сети и адресов выходных портов (адресов логических сегментов) в коммутаторе. Адресные таблицы можно создавать вручную, этот способ является достаточно трудоемким и требует обновления информации при любых изменениях в сети. Могут использоваться процедуры «маршрутизации от источника», которые, во-первых, требуют дополнительных служебных полей в МАС-кадрах для передачи этих данных, и, во-вторых, требуют хранения данных о топологии сети в каждом ее узле. Наиболее эффективным и универсальным алгоритмом автоматического формирования адресных таблиц в настоящее время является алгоритм «прозрачного» моста (рис. 5).

В алгоритме «прозрачного» моста узлы сети не принимают участия в формировании адресных таблиц. При начальном включении коммутатора, работающего по этому алгоритму, адресные таблицы не содержат необходимой информации. В этом случае все поступающие сообщения ретранслируются во все выходные порты, кроме порта, из которого это сообщение поступило. Одновременно с этим для каждого поступившего сообщения создается запись в адресной таблице о соответствии МАС-адреса источника и адреса порта. При появлении этой записи все сообщения, направляемые по этому МАС-адресу, будут передаваться только в соответствующий логический сегмент. По мере заполнения адресных таблиц в процессе работы коммутатора, все меньше сообщений будут направляться во все сегменты сети. Для того, чтобы в адресных таблицах могли отображаться изменения топологии сети, каждой строке адресной таблицы устанавливается время жизни, т.е. интервал времени, в течение которого эта информация считается действительной. Если за время жизни МАС-адрес повторяется в сообщениях, то время жизни продлевается. Если за время жизни МАС-адрес отсутствует в сообщениях, запись аннулируется.

Рис. 5. Принцип работы «прозрачного» моста

Недостатками алгоритма «прозрачного» моста являются чувствительность к широковещательным штормам и ограничения на топологию сегментов. Широковещательные штормы при некорректной работе какого-либо узла могут резко увеличивать объем трафика и приводить к перегрузке и блокировке работы. Корректное формирование адресных таблиц возможно только при древовидной топологии, когда между любой парой узлов существует единственный путь. При появлении петель и контуров возможно некорректное заполнение адресных таблиц с многократной передачей сообщения в замкнутом контуре.

Существуют алгоритмы, позволяющие работать коммутаторам без таких ограничений на топологию сети. Один из таких популярных алгоритмов называют алгоритмом покрывающего дерева (spanning tree algorithm – STA). Алгоритм STA преобразуют произвольную топологию связей в активную древовидную, избыточные связи в этом алгоритме переводятся в разряд резервных и не используются пока не возникает в них необходимость. STA автоматически определяет отказы отдельных компонентов локальной сети и преобразует резервные связи в активные, реализуя новую древовидную топологию с учетом обнаруженных отказов.

Для работы алгоритма STA коммутаторы должны обмениваться специальными служебными пакетами, поэтому в отличие от всех других, решаемых на канальном уровне задач требуют наличия MAC-адреса коммутатора. Обмен служебными пакетами необходим и для определения активной конфигурации сети, и для тестирования сети в процессе работы для обнаружения отказов. Служебные пакеты помещаются в поле данных канальных кадров.

Активная конфигурация определяется в три этапа:

Сначала в сети выбирается корневой коммутатор, от которого строится покрывающее дерево, при автоматическом определении корневого коммутатора им становится коммутатор с меньшим значением MAC-адреса.

Затем для каждого коммутатора определяется корневой порт, этот корневой порт выбирается по кратчайшему расстоянию до корневого коммутатора (расстояние обычно оценивают количеством промежуточных коммутаторов от выходного порта до корневого коммутатора или суммарным условным временем передачи одного бита).

На последнем этапе для каждого логического сегмента выбирается назначенный порт, т.е. порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. Все остальные порты и связи в топологии сети через них блокируются, переводятся в разряд резервных и запрещаются для использования. При этом активная топология сети всегда будет древововидной без петель и контуров.

В процессе работы корневой коммутатор периодически генерирует служебные пакеты для тестирования сети. Если по истечении тайм-аута на какой-либо корневой порт не поступит служебный пакет корневого коммутатора, это говорит об отказе каких-либо активных связей. Коммутатор, не получивший в течение заданного времени служебный пакет, начинает процедуру определения новой активной конфигурации по описанному выше алгоритму.

6. Способы передачи сообщений

Дейтаграммный и с установлением соединения (LLC-1, LLC-2, LLC-3). При передаче сообщений на канальном уровне сети автоматически предполагается, что получатель и отправитель имеют общий канал связи и даже на уровне локальной сети необходимо только выполнить определенные процедуры управления передачей данных в уже имеющемся канале связи. Поэтому с точки зрения управления на канальном уровне оба способа передачи данных принципиально не отличаются. Передача с установлением соединения требует только определенных дополнительных процедур для проверки готовности получателя к приему данных.

В сетях со сложной топологией при передаче сообщений необходимо предварительно определить канал связи, а эта задача на канальном уровне уже не может быть решена и требует совершенно иных средств решения. Эти средства существуют на следующем – сетевом уровне. Поддержание постоянно действующих каналов связи для передачи данных в составных сетях очень сложно, а при больших расстояниях практически нереально. Обычно связи в телекоммуникационной сети образованы коммутируемыми каналами, ресурсы которых распределяются сетью между поступающими заявками на передачу данных. Содержание процедур при разных способах организации передачи данных на сетевом уровне существенно изменяется. Передача с установлением соединения требует достаточно сложных процедур предварительного выбора и закрепления необходимых каналов связи. А дейтаграммный способ передачи требует решения задач маршрутизации, т.е. выбора маршрутов доставки сообщений, для каждого сообщения в отдельности. И тот, и другой способы передачи данных имеют определенные достоинства и находят применение в современных телекоммуникационных технологиях.

С точки зрения коммутации применительно к сетевому уровню для организации каналов связи в настоящее время применяются три основных способа коммутации: каналов, сообщений, пакетов. Под коммутацией в данном случае понимается выделение необходимых ресурсов в каналах связи для передачи данных. Для управления ресурсами каналов связи и обеспечения доступа к ним необходимы специальные процедуры и алгоритмы и средства их реализации. Эти задачи существенно усложняются из-за распределенного характера как самих управляемых ресурсов, так и средств управления ими. Очень часто задачи управления требуют передачи по тем же каналам связи довольно больших объемов служебной информации и поэтому средства управления тоже потребители сетевых ресурсов. В отличие от средств решения задач канального уровня средства сетевого уровня являются полноправными элементами сети со всеми необходимыми атрибутами, в том числе и самостоятельными сетевыми адресами.

Коммутация каналов. Это самый старый способ коммутации и предполагает создание сетевыми средствами непрерывного физического канала между узлами. До сих пор применяется в телефонных сетях. Этот физический канал монопольно закрепляется за двумя узлами на время сеанса связи, с точки зрения надежности это преимущество, так как обеспечивает повышенную надежность связи. Но этот же факт является и существенным недостатком, так как использование ресурсов каналов связи весьма неэффективно, если канал связи свободен в отдельные интервалы времени, другие элементы сети не могут получить к нему доступ, пока соединение установлено. Коммутация каналов требует выполнения довольно сложной процедуры установления соединения и поэтому, даже при достаточно длительных паузах в использовании канала связи, разрывать соединение нецелесообразно. Второй существенный недостаток этого способа коммутации – пропускная способность канала определяется самым плохим участком канала (в большинстве случаев это линия «последней мили»). Буферизация сигналов и данных не предусматривается, т.е. коммуникационное оборудование выполняет функции «телефонных коммутаторов».

Коммутация сообщений. Этот способ коммутации появился позднее и применялся в службах электронной почты. Каждое сообщение передается целиком, во всех промежуточных узлах принимается в буферное ЗУ и после необходимой обработки направляется в следующий узел, пока не достигнет пункта назначения. Может использоваться передача с установлением соединения или дейтаграммный способ передачи. В настоящее время используется редко, объемы сообщений могут быть весьма различными и требуют избыточно больших объемов буферов.

Коммутация пакетов. В настоящее время самый эффективный способ передачи данных на сетевом уровне. Каждое сообщение разбивается на пакеты относительно небольших стандартных размеров, что существенно облегчает буферизацию и обработку во всех узлах сети. Эта процедура одновременно требует создания дополнительных средств для восстановления сообщений и сохранения их целостности в пункте назначения. Однако простота транспортировки стандартных блоков данных (пакетов), как и в любой транспортной системе, является решающим преимуществом. Также может использоваться дейтаграммный способ передачи или передача с установлением соединения. В связи с более высокой надежностью передачи с установлением соединения используются алгоритмы организации работы с элементами коммутации каналов. В частности, виртуальные каналы с коммутацией пакетов по свойствам во многом аналогичны системам с коммутацией каналов, но одновременно сохраняют многие качества систем с коммутацией пакетов.

Виртуальные каналы с коммутацией пакетов требуют обязательной процедуры установления соединения с решением задачи маршрутизации. После создания виртуального канала все пакеты этого виртуального канала передаются по проложенному маршруту с использованием процедур аналогичных канальным процедурам.

Список литературы

Крук Б., Шувало В. Телекоммуникационные системы и сети – Новосибирск, 2008.

Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. – М.: Постмаркет, 2007.

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: «Питер», 2010.

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Основы сетей передачи данных. – СПб.: «Питер», 2005.

Хамбракен Д. Компьютерные сети: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2004.

Нанс Б. Компьютерные сети: Пер. с англ. – М.: «БИНОМ», 2006.