Глава 1. Технологии облачных вычислений.
АННОТАЦИЯ
В настоящей выпускной квалификационной работе произведена сравнительная оценка протоколов доступа к облачным сервисам. Анализируются протоколы канального уровня модели OSI. Данный анализ позволяет определить производительность протоколов, а также их эффективность в зависимости от области применения.
Рассчитана экономическая эффективность выпускной квалификационной работы и проведена оценка напряженности трудового процесса при работе пользователя с персональным компьютером.
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.. 7
Введение. 8
1.1. Достоинства облачных вычислений. 10
Достоинства облачных вычислений: 10
1.4. Основные свойства облачных технологий. 14
Глава 2. Протоколы канального уровня, применяемые на СПБИВЦ. 20
2.1 Канальный уровень передачи данных. 20
2.2 Семейство технологий Ethernet 21
2.2.1 Ethernet 21
2.2.3 Gigabit Ethernet 26
2.3. Протоколы используемые на каналах передачи данных стандарта E1. 28
2.3.1 PDH.. 28
2.3.2 Frame relay. 29
2.2.5 HDLC.. 33
2.3 ATM.. 38
2.4 xDSL. 42
Глава 3. Производительность протоколов канального уровня. 46
3.1 Пропускная способность протокола. 46
3.3 Размеры кадра и пакета. 49
3.4 Размер кадра в гетерогенной сети. 50
3.5 Потеря кадров. 52
4.1 Fast Ethernet 54
4.2 Frame relay, HDLC.. 54
4.3 SHDSL. 56
4.4 Тестирование. 56
5.1 Анализ опасных и вредных факторов производства. 59
5.2 Требования к организации рабочего места пользователей ПЭВМ.. 60
5.3 Освещение на рабочих местах. 63
5.4. Уровень шума и вибрации на рабочих местах. 65
5.5 Микроклимат, содержание аэроионов и вредных химических веществ в воздухе на рабочих местах. 66
5.6 Уровень электромагнитных и ионизирующих излучений. 68
5.7 Оценка напряжённости трудового процесса. 68
5.8 Выводы по главе. 74
6. Обоснование экономической эффективности. 76
6.1 План выполнения дипломного проекта. 76
6.2. Смета затрат на научно исследовательскую работу. 78
6.2.1. Материалы.. 79
6.2.3. Затраты на оплату труда. 81
6.2.4. Взносы на социальное страхование и обеспечение(ВСС) 83
6.2.5. Затраты на амортизацию оборудования. 83
6.3. Стоимость выполнения дипломного проекта. 84
Общая стоимость выпускной квалификационной работы составляет 36848 руб. 85
6.4. Оценка экономической эффективности. 85
6.5. Заключение по разделу. 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 88
Приложение. 90
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
| PDU | Protocol Data Unitрусск |
| ИКМ | Импульсно-кодовая модуляция |
| TDM | Time Division Multiplexing |
| ISDN | Integrated Services Digital Network |
| CCITT | Comite Consultatif International Telephonique et Telegraphique |
| DTE | Data Terminal Equipment |
| DCE | Data Circuit-terminating Equipment |
| FEC | Forward Error Correction |
| WAN | Wide Area Network |
| CRC | Cyclic redundancy check |
| PVC | Permanent Virtual Circuit |
| SVC | switched virtual circuits |
| FCS | Frame cheks sequence |
| ПЭВМ | Персональная электронно-вычислительная машина |
| ВДТ | Видеодисплейный терминал |
Введение
Идея создания облачных вычислений возникла ещё в 1960 году. Джон Маккарти, компьютерный исследователь, известный своими разработками, создатель языка программирования Lisp, высказал предположение о том, что когда-нибудь компьютерные вычисления будут производиться с помощью общенародных утилит.
Быстрый прогресс технологии виртуализации сильно поспособствовал полноценному развитию облачных вычислений. Виртуализация – это процесс предоставления набора вычислительных ресурсов или их логического объединения, абстрагированное от аппаратной реализации, и обеспечивающее при этом логическую изоляцию вычислительных процессов, выполняемых на одном физическом ресурсе. Впервые виртуализация была предложена в мэйнфреймах IBM в середине 1960-х годов. Но после смены направления развития компьютерных технологий от дорогих мейнфреймов в сторону персональных компьютеров и недорогих серверов, основанных на процессорной архитектуре x86, о виртуализации на долгое время забыли. Лишь с середины 2000-х годов ситуация стала меняться. До этого времени рынок виртуализации для архитектур x86 фактически находился под монопольным контролем компании VMware. Однако со временем стали появляться как коммерческие проекты, так и разработки с открытым кодом. В 2006 году Microsoft выпустила бесплатную Windows-версию продукта Microsoft Virtual PC, что послужило началом массового использования технологий виртуализации на компьютерах архитектуры x86. Также в том году компанией Amazon был запущен веб-сервис Amazon Elastic Compute Cloud, который отличался новым подходом к виртуализации. До появления данного продукта виртуализация понималась преимущественно, как возможность развернуть нужное количество виртуальных серверов на собственном оборудовании, а благодаря Amazon Elastic Compute Cloud в привычку вошла идея аренды виртуальных серверов на чужом оборудовании. Также свой вклад в концепцию облаков внесла компания Google со своей платформой Google Apps для веб-приложений в бизнес-секторе. С появлением App Engine сторонние разработчики получили возможность размещать в инфраструктуре Google веб-приложения, которые могут масштабироваться и обслуживать миллионы веб-пользователей ничуть не хуже, чем приложения от самой Google.
Облака практически повсеместно проникли и в жизнь обычных пользователей. Найдя в Интернете подходящий сервис для ежедневного пользования, большинство из которых бесплатны или стоят относительно дёшево, пользователь избавляет себя от необходимости покупать новые компьютеры для обеспечения высокой производительности, от проблем в настройке сложных систем и покупки дорогих программных пакетов. К наиболее популярным сервисам относятся почтовые клиенты, онлайн-редакторы документов (например, Zoho Writer и Google Docs) и облачные хранилища данных (Microsoft OneDrive, Yandex.Диск и другие). Причем выбор на рынке облачных хранилищ настолько велик, что практически невозможно выбрать однозначно лучшее предложение. Что касается разработчиков, то и для них существует большой выбор облачных платформ для написания приложений. Данные платформы делятся на две большие группы, коммерческие и с открытым кодом. К коммерческим решениям относятся Salesforce1 Platform, Microsoft Azure, Google Cloud Platform, SmartCloud Application Services от IBM, а к решениям с открытым кодом CloudFoundry от VMware, Jelastic, OpenShift Online.
Таким образом, облачные технологии предоставляют практически безграничные возможности благодаря своим сервисам, начиная с простого хранения информации и заканчивая предоставлением безопасных IT-инфраструктур. Кроме использования конечными пользователями вычислительных мощностей, облачные технологии предоставляют новые рабочие места для IT -специалистов, которые способны настраивать и сопровождать облака. И так как сами технологии еще не достигли пика своего развития, продолжаются исследования возможности их применения в различных областях жизни.
Протоколы канального уровня обеспечивают доступ к среде передачи данных, именно от правильного выбора протокола на канальном уровне будет зависеть всё дальнейшее качество передачи данных. Правильно выбранный протокол канального уровня поможет добиться высокой производительности от канала передачи данных.
Ethernet
Технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox PARC вместе со многими первыми проектами. Датой создания Ethernet принято считать 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы Xerox PARC о потенциале технологии Ethernet. Он стал самой распространённой технологией ЛВС середины 1990-х годов [6].
Стандартами IEEE 802.3 описывают технологию Ethernet. В стандартах первых версий Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0 было указано, что в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель. Применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель является разделяемой средой передачи данных. Одновременно её могут использовать несколько интерфейсов, но передавать, в каждый момент времени, должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Однако если хотя бы два узла начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга, то есть произойдёт коллизия. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел должен постоянно наблюдает за сигналами в среде и, если собственный передаваемый сигнал будет отличатся от наблюдаемого, фиксировать коллизию. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайные промежутки времени. Но если каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение - факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет.
Для того, чтоб такой ситуация одновременной передачи не произошло необходимо ограничить максимальное количество сетевых узлов и минимальный размер кадра. Разработчики технологии Ethernet установили минимальным размером кадра величину в 64 байта.
В дальнейшем появилась возможность использовать в качестве передающей среды витую пару. Это привело к следующим преимуществам:
- возможности работы в дуплексном режиме;
- низкой стоимость кабеля витой пары;
- уменьшению минимально допустимого радиуса изгиба кабеля
- более высокой надёжности сетей;
- большей помехоустойчивости из-за использования дифференциального сигнала;
- возможность питания по кабелю маломощных узлов, например, IP-телефонов;
- применению гальванических развязок трансформаторного типа.
Более высокая надёжность сети передачи данных при использовании витой пары заключается в применении по топологии «звезда». В этом случае обрыв кабеля приводит лишь к нарушению связи между двумя объектами сети, соединённых кабелем. При использовании же коаксиального кабеля, сеть строится по топологии «шина», для которой требуется наличие терминальных резисторов на концах кабеля, поэтому обрыв кабеля приводит к неисправности всего сегмента сети.
В условиях СНГ, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто приводило к короткому замыканию и выходу из строя сетевых карт компьютеров. Это проблема была решена применением на кабелях витой пары гальванических развязок трансформаторного типа.
Следствием дальнейшего перехода технологии Ethernet на оптоволоконный кабель передачи данных стало увеличение длины сегмента сети без применения повторителей.
В технологии Ethernet применяется полудуплексный режим передачи данных. Это означает, что сетевой узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции. Спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100. Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.
Существует несколько форматов Ethernet-кадра:
- первоначальный Version I, больше не применяется;
- Ethernet Version 2 или Ethernet 802.3, формат кадра представлен на рисунке 1;
- Raw 802.3 – формат кадра, разработанный фирмой Novell, представлен на рисунке 2;
- Ethernet SNAP - протокол доступа к подсетям, формат кадра представлен на рисунке 3.
Кадр Ethernet SNAP определен стандартом IEEE 802.2H и представляет собой расширение стандарта IEEE 802.3 введением дополнительного поля идентификатора организации. Это поле может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. Главным отличием от IEEE 802.3 было добавление поля SNAP, расширяющего количество возможных добавлений номеров протоколов верхних уровней. SNAP состоит из 2-х частей: поля Organizationally Unique Identifier (OUI) и Protocol ID (PID).
| 1(2) | 46-1500 | ||||||
| Da | Sa | L | DSAP | SSAP | Control | DATA | FCS |
Рисунок 1 - Ethernet 802.3
| 46-1500 | ||||
| Da | Sa | L | DATA | FCS |
Рисунок 2 - RAW 802.3
| 1(2) | 46-1500 | |||||||
| Da | Sa | L | DSAP | SSAP | Control | SNAP | DATA | FCS |
Рисунок 3 - Ethernet SNAP
DA (Destination Address) - MAC адрес назначения, может быть юникастом, мультикастом, бродкастом.
SA (Source Address) - MAC адрес отправителя. Всегда юникаст.
L – Length, хранит информацию о размере данных.
DSAP, SSAP, Control - заголовок LLC. LLC - подуровень управления логической связью. Указывает типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.
DATA – поле данных.
FCS (Frame Check Sequence) - проверочная последовательность кадра
Таблица 1 - Стандарты Ethernet
Fast Ethernet
К появлению Fast Ethernet привело создание сетевых мостов нового поколения - коммутаторов, которые, в отличие от сетевого моста, имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между портами одновременно. Коммутаторы эффективно применяются в тех сетях, где межсегментный трафик не очень отличался от внутрисегментного. С применением коммутаторов, появилась возможность соединить низкую стоимость технологии Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов.
Ещё одно событие заключалось в появлении сетей, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. До этого только технология Fiber Distributed Data Interface(FDDI) обеспечивала такую битовую скорость, но она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.
В 1992 году институт IEEE начал работу по стандартизации новой технологии. Созданная для этого исследовательская группа с конца 1992 по конец 1993 года изучила множество 100-мегабитных решений, предложенных различными производителями, а также высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.
В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3
Сходства Fast Ethernet с Ethernet:
- сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;
- сохранение формата кадра, принятого в стандарте IEEE 802.3;
- сохранение топологии «звезда»;
- поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и волоконно-оптического кабеля;
Таблица 2 - Стандарты Fast Ethernet
Gigabit Ethernet
Стандарт IEEE 802.3z, Gigabit Ethernet, был разработан в 1997 году. При использовании этой технологии, скорость передачи данных составляет 1000 Мбит/с.
При скорости передачи 1 Гбит/с размер минимальный размер кадра в 64 бита привёл к тому, что для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы максимальная длина сегмента сети составляла не более 20 метров. Разумеется, это было мало эффективным. Поэтому, чтобы обеспечить максимальный длина сегмента сети в 200 метров, минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт.
Таблица 3 - Стандарты Gigabit Ethernet
PDH
Плезиохронная цифровая иерархия (PDH) — это технология построения цифровых сетей передачи данных, использующая групповой мультиплексированный сигнал, состоящий из 30-канальных цифровых потоков и требующий оборудования группообразования и синхронизации скоростей цифровых потоков. Термин плезиохронные означает, что скорости входных 30-канальных групп отличаются друг от друга вследствие допустимой нестабильности задающего генератора каналообразующего оборудования этих потоков.
PDH является одной из первых систем, предназначенных для передачи информации в цифровом виде на большие расстояния. Первый стандарта под индексом G.703 был разработан и выпущен организацией по стандартизации ITU-T в 1972 году.
Для синхронизации потоков в PDH используется технология временного мультиплексирования(TDM). Именно технологию временного мультиплексирования первой стали широко применять для синхронизации в системах электросвязи. Она предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Входные каналы по очереди модулируют высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутках времени - тайм-слотах, которые повторяются с определённой периодичностью. Мультиплексор, находящийся на одной стороне канала связи осуществляет сбор данных со всех источников и передачу этих данных по высокоскоростному каналу передачи данных в течение соответствующих тайм-слотов. Демультиплексор, находящийся на принимающей стороне линии связи выделяет тайм-слоты, считывает данные и передает их соответствующим пользователям в виде единых разделённых выходных потоков.
Главное отличие мультиплексирования с разделением во времени от статистического мультиплексирования, такого как пакетное мультиплексирование, в том, что тайм-слоты следуют в заданном, периодически повторяющемся порядке - потоке, в отличие от пакетной обработки, где разделение происходит по мере поступления пакетов. Статистическое мультиплексирование похоже на TDM, но оно не должно быть рассматриваемо как мультиплексирование с подразделением времени.
Frame relay
Frame Relay первоначально разрабатывался как протокол для использования в интерфейсах сетей ISDN. ISDN – это цифровая сеть, позволяющая передавать данные со скоростью до 64 кбит/с по абонентским проводным линиям и обеспечивает интеграцию телекоммуникационных услуг. Исходные предложения, представленные в CCITT в 1984 году, преследовали данную цель. [7]
В 1990 году Cisco Systems, StrataCom, Northern Telecom и Digital Equipment Corporation сформировали консорциум, чтобы сосредоточиться на разработке технологии Frame Relay и ускорить появление продуктов Frame Relay, которые обеспечивают сетевую совместимость. Консорциум разработал спецификацию, которая должна была отвечать требованиям базового протокола Frame Relay. Однако он расширил его, включив в него функции, обеспечивающие дополнительные возможности для комплексных окружений межсетевого взаимодействия. Эти дополнения к Frame Relay называются local management interface. Frame Relay обеспечивает возможность передачи данных с коммутацией пакетов через интерфейс между сетевыми устройствами пользователей, такими как:
- маршрутизаторы;
- сетевые мосты;
- главные вычислительные машины;
- переключающие сетевые узлы.
Сетевое оборудование, которое обеспечивает согласование с DTE, часто называют устройством завершения работы информационной цепи - DCE. Сеть, обеспечивающая интерфейс Frame Relay, может быть либо общедоступной сетью передачи данных с использованием несущей, либо сетью с оборудованием, находящимся в частном владении, обслуживающей отдельные предприятия.
В роли сетевого интерфейса, Frame Relay является таким же типом протокола, что и Х.25. Однако Frame Relay значительно отличается от Х.25 по своим функциональным возможностям и по формату. В частности, Frame Relay является протоколом для линии с большим потоком информации, обеспечивая более высокую производительность и эффективность.
Frame Relay обеспечивает средства для мультиплексирования, выполняющегося с помощью статистики, большого числа логических информационных диалогов, виртуальных цепей через один физический канал передачи данных. Это отличительная особенность Frame Relay. Более гибкое и эффективное использование доступной полосы пропускания обеспечивает именно статистическое мультиплексирование. Оно может использоваться без применения техники TDM или как дополнительное средство для каналов, уже снабженных такими системами.
Другой важной характеристикой Frame Relay является то, что она использует новейшие достижения технологии передачи глобальных сетей. Более ранние протоколы WAN, такие как Х.25, были разработаны тогда, когда преобладали аналоговые системы передачи данных с помощью медных носителей. Эти каналы передачи данных значительно менее надежны, чем доступные сегодня волоконно-оптические каналы с цифровой передачей данных. В таких каналах передачи данных протоколы канального уровня могут предшествовать требующим значительных временных затрат алгоритмам исправления ошибок, оставляя это для выполнения на более высоких уровнях протокола. Следовательно, возможно увеличение производительности и эффективности передачи данных, без ущерба для целостности информации. Именно эта цель преследовалась разработчиками Frame Relay. Эта технология включает в себя алгоритм проверки ошибок передачи данных при помощи циклического избыточного кода – CRC. Это алгоритм обнаружения испорченных битов, но в нем отсутствуют какие-либо механизмы для корректирования испорченных данных.
Другим различием между Frame Relay и устаревшего Х.25 является отсутствие явно выраженного управления потоком для каждой виртуальной сети передачи данных. В настоящее время, когда большинство протоколов высших уровней эффективно выполняют свои собственные алгоритмы управления потоком, необходимость в этой функциональной возможности на канальном уровне уменьшилась. Таким образом, Frame Relay не включает явно выраженных процедур управления потоком, которые являются избыточными для этих процедур в высших уровнях. Вместо этого предусмотрены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, позволяющие сети информировать какое-либо устройство пользователя о том, что ресурсы сети находятся близко к состоянию перегрузки. Такое уведомление может предупредить протоколы высших уровней о том, что может понадобиться управление потоком.
Стандарты Current Frame Relay адресованы перманентным виртуальным цепям - PVC, определение конфигурации которых и управление осуществляется административным путем в сети Frame Relay. Был также предложен и другой тип виртуальных цепей - коммутируемые виртуальные цепи - SVC.
Протокол Frame Relay может быть использована в качестве интерфейса к услугам либо общедоступной сети, либо сети с оборудованием, которое находится в частном владении. Обычным способом реализации частной сети является дополнение традиционных мультиплексоров E1 интерфейсами Frame Relay для информационных устройств, а также интерфейсами, не являющимися специализированными интерфейсами Frame Relay, для других прикладных задач, таких как передача голоса и проведение видео-телеконференций.
| 2-4 | 1-1600 | |||
| flag | address | DATA | FCS | flag |
Рисунок 4 - Формат кадра Frame relay
Каждый кадр Frame relay начинается и замыкается флагом, последовательностью «01111110». Для предотвращения случайной имитации последовательности флага внутри кадра при его передаче проверяется всё содержание между двумя флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит «1», вставляется бит «0». Эта процедура обязательна при формировании любого кадра Frame relay, при приёме эти биты «0» отбрасываются.
FCS (Frame Check Sequence) - проверочная последовательность кадра. Служит для обнаружения ошибок.
Поле данных имеет минимальную длину в 1 байт, максимальную по стандарту Frame Relay Forum - 1600 байтов, однако в реализациях некоторых производителей Frame relay - оборудования допускается превышение максимального размера, до 4096 байтов.
Поле Адрес кадра Frame Relay, кроме собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала.
| DLCI | C/R | EA | DLCI | FECN | BECN | DE | EA |
Рисунок 5
DLCI - (Data Link Connection Identifier) идентификатор виртуального канала (PVC), мультиплексируемого в физический канал. DLCI имеют только локальное значение и не обеспечивают внутрисетевой адресации.
C/R - (Command/Response) признак «команда-ответ».
E/A - (Address Field Extension Bit) бит расширения адреса. DLCI содержится в 10 битах, входящих в два байта заголовка, однако возможно расширение заголовка на целое число дополнительных байтов с целью указания адреса, состоящего более чем из 10 бит. E/A устанавливается в конце каждого байта заголовка. Если он имеет значение «1», то это означает, что данный байт в заголовке последний.
FECN - (Forward Explicit Congestion Notification) перегрузка канала в прямом направлении.
BECN - (Backward Explicit Congestion Notification) перегрузка канала в обратном направлении.
DE - (Discard Eligibility Indicator) индикатор, указывающий на разрешения сброса кадра при перегрузке канала. Выставляется в «1» для данных, подлежащих передаче в негарантированной полосе (EIR) и указывает на то, что данный кадр может быть уничтожен в первую очередь.
HDLC
HDLC (High-Level Data Link Control) - протокол канального уровня, разработанный организацией ISO. Он реализует механизм управления потоком посредством передающих и принимающих окон и имеет необязательные возможности, поддерживающие полудуплексную и полнодуплексную передачу, одноточечную и многоточечную конфигурации.[8]
Окно устанавливается на концах канала связи, чтобы обеспечить резервирование ресурсов станций. Этими ресурсами могут быть ресурсы вычислителя или пространство буфера. В большинстве случаев окно обеспечивает и буферное пространство, и правила нумерации. Окно устанавливается во время инициирования сеанса связи между станциями. Если станции должны обменяться данными, то каждая станция резервирует окно для другой станции, с которой она связана каналом передачи данных. Использование окон необходимо для полнодуплексных протоколов, потому что они подразумевают непрерывный поток кадров в принимающий узел без периодических подтверждений с остановкой и ожиданием.
Окна в принимающем и передающем узлах управляются переменными состояния, которые представляют по сути состояние счетчика. Передающий узел поддерживает переменную состояния посылки V(S). Это порядковый номер следующего по очереди I-кадра, который должен быть передан. Принимающий узел поддерживает переменную состояния приема V(R), которая содержит номер, который, как ожидается, является порядковым номером следующего I-кадра. V(S) увеличивается на 1 при передаче каждого кадра и помещается в поле порядкового номера посылки кадра. Получив кадр, принимающий узел производит проверку наличия ошибок передачи и сравнивает порядковый номер со своим V(R). Если кадр может быть принят, узел увеличивает V(R) на 1, помещает его в поле порядкового номера приема кадра подтверждения АСК и посылает этот кадр в узел-отправитель, завершая квитирование передачи.
Если V(R) не равен порядковому номеру посылки в кадре или обнаружена ошибка, значит, что-то произошло, и после тайм-аута в узел-отправитель посылается NAK с порядковым номером приема, содержащим значение V(R). Значение V(R) уведомляет передающее устройство ООД о том, что ожидается посылка нового кадра. Так как передатчик восстанавливает старое значение V(S) и повторяет передачу кадра, порядковый номер которого совпадает со значением V(S).
Во многих системах для V(S) и V(R) у порядковых номеров в кадре используются числа от 0 до 7. Если переменные состояния в результате последовательного увеличения достигли 7, то, начиная с 0, эти числа снова используются. Вследствие повторного использования чисел устройствам, станциям не разрешено посылать кадр с порядковым номером, который не был подтвержден. Например, протокол должен дождаться подтверждения кадра с номером 6, прежде чем он опять использует V(S)=6.
Использование номеров от 0 до 7 позволяет семи кадрам быть в активном состоянии, прежде чем "закроется" окно. Несмотря на то что диапазон 0-7 дает восемь порядковых номеров, V(R) содержит значение следующего ожидаемого кадра, что ограничивает число активных кадров до 7.
| 8-16 | 0 – кратно 8 | ||||
| FD | address | control | INFO | FCS | FD |
Рисунок 6 - Структура кадра HDLC
HDLC является кодопрозрачным протоколом. Он не зависит от конкретного кода при выполнении функции управления каналом. Восьмибитовая комбинация флага (FD) помещается в начале и в конце кадра, чтобы дать возможность приемнику распознать границы кадра. Возможны случаи, когда прикладной процесс помещает в данных пользователя восьмибитовую последовательность, совпадающую с флагом. В этом случае передающая станция в поток выходных данных помещает 0 после 5 подряд идущих единиц, встретившихся в любом месте между начальным и конечным флагами кадра. Такая вставка производится в адресное, управляющее, информационное поля и поле CRC. Этот метод называется вставкой битов. После того как завершается вставка битов в кадр и по концам кадра помещаются флаги, кадр передается приемнику по каналу. Благодаря этим флагам в HDLC-кадре отсутствует поле длины кадра. Иногда конечный флаг одного кадра может быть начальным флагом следующего кадра.
Адрес (address) выполняет функцию идентификации одного из нескольких возможных устройств только в конфигурациях точка-многоточка. В двухточечной конфигурации адрес HDLC используется для обозначения направления передачи — из сети к устройству пользователя или наоборот.
Управляющее (control) поле занимает 1 или 2 байта. Его структура зависит от типа передаваемого кадра. Тип кадра определяется первыми битами управляющего поля и изображены на рисунке 7.
Информационный (I — кадр) несет в себе информацию верхнего уровня. Поле RSN имеет номер кадра, который ожидается при приеме. Поле SSN - номер транспортируемого кадра. Бит P/F реализует надежность контроль потока и доставки. Первичный узел реализует этот бит для требования мгновенного ответа, вторичный - для указания на последний кадр в текущем ответе.
Управляющий (S — кадр), транспортирует управляющую информацию в полях FC, информационных полей нету. Разрешает запросить, приостановить транспортировку, передать данные состояния, подтвердить прием I-кадров.
Ненумерованный (U-кадр), реализуется для целей управления.
Рисунок 7
В структуру управляющего поля кадров всех типов входит бит P/F, по-разному использующийся в кадрах-командах и кадрах-ответах. Например, станция-приёмник при получении от станции-передатчика кадра-команды с установленным битом P немедленно должна ответить управляющим кадром-ответом, установив бит F.
Информационное поле предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней - сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях - прикладных протоколов, когда они вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Информационное поле может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.
Поле FCS (Frame Check Sequence) - контрольная последовательность, необходимая для обнаружения ошибок передачи. Её вычисления производится методом циклического кодирования CRC-16 в соответствии с рекомендацией CCITT V.41.
Значением CRC является, по сути, остаток от деления многочлена M(x), соответствующего входным данным, на некий фиксированный порождающий многочлен G(x) степени r. Каждой конечной последовательности битов взаимно однозначно ставится в соответствие двоичный полином, последовательность коэффициентов которого представляет собой исходную последовательность. Полиномиальная арифметика выполняется по модулю 2, то есть сложение и вычитание происходят без переноса разрядов так, что обе эти операции эквивалентны «исключающее ИЛИ». Деление выполняется, как обычно, в двоичной системе, с той лишь разницей, что вычитание выполняется по модулю 2.
Смысл использования полиномиальных кодов при передаче заключается в следующем. Отправитель и получатель заранее выбирают одинаковый генераторный случайный полином G(x) у которого коэффициенты при старшем члене и при младшем члене должны быть равны 1. Для вычисления контрольной суммы блока из m бит необходимо, чтобы m > r. Далее, реализуя алгоритм вычисления CRC, отправитель добавляет контрольную сумму к передаваемому блоку, рассматриваемому как полином M(x) так, чтобы передаваемый блок с контрольной суммой был кратен G(x). Если образуется ненулевой остаток, то это свидетельствует о возникновении ошибки при передаче.
В CRC-16 производящим полиномом является 
. CRC позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок длиной до 16 бит, вызываемые одиночной ошибкой, а также 99,9984 % всевозможных более длинных кортежей ошибок. FCS составляется по полям Адрес, Управляющее поле, Информационное поле. В редких случаях используются другие методы циклического кодирования. После просчёта FCS на стороне приёмника он отвечает положительной или отрицательной квитанцией. Повтор кадра передающей стороной выполняется по приходу отрицательной квитанции или по истечении тайм-аута.[9]
ATM
Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х годах двумя учёными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser инженером Bell Labs. Они оба хотели создать архитектуру, осуществляющую транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала бы сетевые ресурсы наиболее эффективно.
ATM (asynchronous transfer mode) – сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования пакетов, которые представляют собой ячейки, изображённые на рисунке, фиксированного размера в 53 байта, где первые 5 байт используются под заголовок. ATM работает на скорости 150,52 Мбит/с с пакетом постоянной длины и минимальным заголовком. Слово асинхронный в названии означает, что тактовые генераторы передатчика и приемника не синхронизованы, а сами ячейки передаются и мультиплексируются по запросам. [10]
UNI NNI
Рисунок 8 - Формат ячеек
GFC - Generic Flow Control (4 бита) — общее управление потоком;
VPI - Virtual Path Identifier (8 бит UNI) или (12 бит NNI) — идентификатор виртуального пути;
VCI - Virtual circuit identifier (16 бит) — идентификатор виртуального канала;
PT - Payload Type (3 бита) — тип данных;
CLP - Cell Loss Priority (1 бит) — уровень приоритета при потере пакета; указывает на то, какой приоритет имеет ячейка (cell), и будет ли она отброшена в случае перегрузки канала;
HEC - Header Error Control (8 бит) — поле контроля ошибок.
UNI - User-to-Network Interface — интерфейс пользователь-сеть. Стандарт, разработанный ATM Forum, который определяет интерфейс между конечной станцией и коммутатором в сети ATM.
NNI - Network-to-Network Interface — интерфейс сеть-сеть. Обобщённый термин, описывающий интерфейс между двумя коммутаторами в сети.
Формально формирование виртуального канала ATM не является частью ATM-протокола. Сначала здесь формируется сигнальная схема, для этого посылается запрос с VPI=0 и VCI=5. Если процедура завершилась успешно, можно начинать формирование виртуального канала. При создании канала могут использоваться 6 разновидностей сообщений:
- setup - запрос формирования канала;
- call proceeding - запрос в процессе исполнения;
- connect - запрос принят;
- connect ACK - подтверждение получения запроса;
- release - сообщение о завершении;
- release compleate - подтверждение получения сообщения release;
В ATM предусмотрено несколько категорий услуг.
Таблица 4 - Типы категорий ATM-услуг.
| Класс | Описание | Пример |
| cbr | Постоянная скорость передачи | Канал Т1 |
| rt-vbr | Переменная скорость передачи (реальное время) | Видеоконференции |
| nrt-vbr | Переменная скорость передачи (нереальное время) |