Цифровые сети с интегрированным сервисом (ISDN)

Более ста лет основной инфраструктурой, используемой в обществе для передачи данных, была телефонная сеть. Эта сеть создавалась для передачи голоса в аналоговой форме и не удовлетворяла требованиям высокоскоростной передачи данных. Международный комитет по телефонии и телеграфии (МКТиТ) в 1984 году собрал конгресс, где было принято решение о создании цифровой телефонной сети с коммутацией каналов - цифровой сети с интегрированным сервисом (ISDN - Integrated Service Digital Network). Основной целью ISDN является объединение в рамках одной сети возможности передачи голоса, звука, изображения и текста. Сети ISDN не получили широкого распространения по причинам - нерешенной проблемы стандартизации и необходимости замены коммутаторов АТС.

Основой архитектуры ISDN является концепция потока бит в цифровой форме между пользователем и системой передачи, что предусматривает несколько видов сервисов, а именно:

1. Некоммутируемые средства;

2. Коммутируемая телефонная сеть общего пользования;

3. Сеть передачи данных с коммутацией каналов;

4. Сеть передачи данных с коммутацией пакетов.

Совершенно не важно как сформирован поток бит - телефоном, факсом, компьютером и т.д. Концепция цифрового потока специфицирована, определены интерфейсы, формат цифрового потока и правила мультиплексирования потоков. Существует два стандарта ISDN: узкополосный низкоскоростной и широкополосный высокоскоростной.

Основное назначение узкополосной ISDN состоит в передаче цифрового потока со скоростью 64 Кбит/с по проводной линии с полосой пропускания 4 кГц и обеспечением интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон, факс, данные и пр.). Выбор скорости 64 Кбит/c определяется тем, что при данной полосе, согласно теореме Найквиста-Котельникова, частота стробирования сигнала должна быть не ниже 8 кГц. Человеческий голос можно удовлетворительно закодировать, используя 6 бит, но вариации уровня входного сигнала приводит к тому, что нужно не менее 8 бит (с учетом логарифмической характеристики аналого-цифрового преобразователя). Таким образом, в результате перемножения этих чисел получается значение скорости B-канала ISDN. В общем случае линия узкополосного ISDN состоит из двух B-каналов, каждый передает данные со скоростью 64 Кбит/с, и одного D-канала для передачи управляющей информации со скоростью 16 Кбит/с. В такой конфигурации полезная скорость передачи данных возрастает до 128 Кбит/с.

На рисунке 7.1 показаны основные конфигурации узкополосного ISDN.

Рис. 7.1 Конфигурации узкополосных ISDN сетей.

Линия ISDN должна быть подведена сервис-провайдером к клиентскому компьютеру и к серверу удаленного доступа. На локальном компьютере и на сервере удаленного доступа вместо модема устанавливается устройство ISDN. Сервис-провайдер устанавливает сетевое оконечное устройство пользователя (NT1). NT1 соединено с одной стороны с ISDN оборудованием пользователя, а с другой­ - с ISDN устройством сервис-провайдера. NT1 может быть удалено от ISDN устройства сервис-провайдера на несколько километров и соединено с ним витой парой. К одному NT1 может быть подключено до 8 ISDN устройств пользователя. Для корпоративных пользователей такая структура подходит плохо, так как может потребоваться больше оконечных устройств. Поэтому, в этом случае, используется схема с ISDN коммутатором PBX (Private Branch eXchange), который соединен с NT1 и обеспечивает связь с множеством устройств пользователя.

МКТиТ определил четыре вида точек подключения для ISDN сетей:

1. U - соединение между ISDN устройством сервис-провайдера и NT1 по витой паре, оптоволоконной линий.

2. Т - подключение NT1 к оборудованию в офисе пользователя.

3. S - подключение PBX коммутатора и ISDN терминалов.

4. R - соединение между ISDN терминалом и не ISDN оборудованием.

Подключение типа Т позволяет подключить 23 канала (64 Kбит/с), для стандарта Т1 в США и Японии и 30 каналов (64Kбит/с) для Европы. Однако, данный ISDN сервис уже устарел.

В качестве следующего шага, МКТиТ предложил технологию высокоскоростного широкополосного ISDN с цифровыми виртуальными B-каналами, по которым движутся пакеты фиксированной длины (ячейки) со скоростью 155 Mбит/с. Основной технологией, которая делает возможным реализацию данного ISDN сервиса, является асинхронный способ передачи (АТМ).

Технология ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode) или режим асинхронной передачи - это технология коммутации, в которой для пересылки данных применяются ячейки фиксированной длины. Технология разрабатывалась в расчете на телефонные сети передачи данных, и поэтому ATM отличается от сетевых технологий. Сети ATM поддерживают интегрированную передачу речи, видео и данных в одном канале, выполняя роль локальных и региональных сетей. Работа в АТМ-сети требует построения специальной инфраструктуры, что обуславливает применение таких сетей в качестве магистралей, соединяющих сетевые сегменты. Протокол ATM можно назвать версией широкополосной ISDN, так как, изначально, она разраба­тывалась как часть данной технологии. Собственно, модель сети АТМ являлась составной частью модели ISDN. Позднее, АТМ технология стала развиваться самостоятельно.

Поскольку АТМ – это технология с коммутацией пакетов, а ISDN - сети с коммутацией каналов, то сервис АТМ построен на компромиссе между коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Сервис в этих сетях ориентирован на соединения в виде коммутируемых виртуальных каналов. Такие соединения означают, что маршрут между источником и получателем выбран, и в таблицах коммутаторов известно, по какому маршруту направлять ячейки. Фактически, такая техника виртуальных каналов заключается в разделении операций маршрутизации и коммутации ячеек. Первая ячейка содержит адрес вызываемого абонента и прокладывает виртуальный путь в сети, настраивая промежуточные коммутаторы. Остальные ячейки проходят по каналу на основании его канала, который является локальным адресом для каждого порта каждого коммутатора. Технология виртуальных каналов имеет преимущества и недостатки по сравнению с маршрутизацией пакетов в сетях IP. Преимуществами являются: ускоренная коммутация ячеек по номеру виртуального канала, а также избыточности заголовка за счет сокращения адресной части пакета. К недостаткам следует отнести невозможность распараллеливания потока данных между двумя абонентами по параллельным путям, неэффективность установления виртуального пути для кратковременных потоков данных и отсутствие системы широковещательного оповещения..

Итак, пакет данных в стандарте ATM представляет собой ячейку, которая содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Это необходимо, чтобы обеспечить малое время задержки при передаче мультимедийных данных. Кроме того, размер ячейки является компромиссом между американским стандартом, который определяет размер ячейки 64 байта, и европейским, по которому он равен 32 байтам. Соотношение размеров ячейки и заголовка показывает, что 90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной информации. В заголовке, 24 бита занимает идентификатор виртуального канала, 8 бит - контрольные, оставшиеся 8 бит - контрольная сумма. Из 48 байт полезной части - 4 байта может быть отведено для адаптационного уровня ATM, а 44 - собственно под данные. Адаптационные байты позволяют объединять короткие пакеты ATM в более крупные кадры, например, в кадры Ethernet. Контрольное поле содержит служебную информацию о ячейке.

АТМ система проектировалась как система коммутации виртуальных каналов, которые обеспечивают заранее специфицированный уровень качества сервиса (Quality of Service - QoS ) и поддерживают постоянную или переменную скорость передачи данных. Виртуальные каналы могут быть временными или постоянными. Постоянный канал связи - это путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика. Временные каналы создаются по требованию и, как только передача данных заканчивается, закрываются. Модель QoS позволяет приложениям запросить гарантированную скорость передачи, не обращая внимания на сложность маршрута. Каждый АТМ - коммутатор выбирает путь, который гарантирует требуемую скорость. Если система не может удовлетворить запрос, то она сообщает об этом приложению.

ATM является развитием технологии STM (Synchronous Transfer Mode) передачи пакетов данных и речи, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений, где соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, независимо от фактической передачи данных. Данные в STM технологии передаются посредством разделения полосы пропускания канала на базовые трансмиссионные элементы, называемые временными слотами. Слоты объединяются в обойму с фиксированным числом каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм, определяет свой набор соединений. Обойма предоставляет свои слоты для соединения с интервалом времени Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет доступна. Число слотов и обойм, а также - время Т, определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в Америке и Европе. Каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется.

В современных телекоммуникациях можно выделить два типа запросов:

1. Передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к задержкам (видео- и аудио потоки);

2. Передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих потерь информации (потоки данных).

Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению запросов на обслуживанию, требующих большой полосы пропускания при малом времени передачи. В рамках модели STM это невозможно. Главная идея ATM заключается в том, что нет необходимости в жестком соответствии соединения и номера слота. Достаточно передать индентификатор соединения вместе с данными на любой свободный слот, но сделать при этом пакет настолько малым, чтобы в случае потери, утрата легко восполнялась. Этот метод называется: «быстрая коммутация ячеек фиксированной длины». В сети ATM два узла находят друг друга по «виртуальному идентификатору соединения» (Virtual Circuit Identifier - VCI), используемому вместо номера слота и обоймы в STM. Быстрая коммутация позволяет динамически выбирать свободные слоты, использовать несколько соединений по одной линии связи. Так, АТМ реализует коммутацию пакетов на основе виртуальных каналов.

Такая коммутация позволяет решить проблему неиспользуемых слотов посредством статистического мультиплексирования нескольких соединений по одной линии связи в соответствии с параметрами трафика. Так как большее число соединений носят импульсный характер, то можно предположить, что пики активности разных соединений будут совпадать не слишком часто. В случае совпадения, ячейка буферизуется пока не появятся свободные слоты. Такой способ организации соединений, при правильно подобранных параметрах, позволяет эффективно загружать каналы, что является достоинством ATM.

Сети АТМ имеют симметричную схему организации, со следующими типами интерфейсов:

1. Сетевой интерфейс между коммутаторами магистральной сети АТМ;

2. Пользовательский интерфейс между пользователем и коммутатором локальной сети АТМ;

3. Общий интерфейс между коммутаторами локальной и магистральной сетей АТМ.

Для установления физического соединения, в сети АТМ используется специальная ячейка с 20-байтовым адресом. После установления физического соединения, по сформиро­ванному пути между клиентами, становится возможна организация вир­туальных каналов. Логическая адресация в сети АТМ двухуровневая. Во-первых, для нее формируется идентификатор виртуальной цепи. Эта многозвенная цепь состоит из участков между двумя узлами АТМ сети. Идентификатор виртуальной цепи соответствует адресу ближайшего узла сети, который используется маршрутизаторами/коммутаторами для формирования нового адреса следующего маршрутизатора/коммутатора в соответствии с таблицами маршрутизации, сформированными в процессе установления физического соедине­ния. Так осуществляется ретрансляция ячеек до места их назначения. Все пользовательские терминалы имеют свои идентификаторы, а пользовательские интерфейсы используют в качестве адреса виртуальной цепи - идентификатор виртуального пути (VPI) и идентификатор виртуального кана­ла(VCI), которые содержатся в заголовке ячейки. Каждое звено ассоциируется с парой значений VPI/VCI на одном конце звена сети, а данная пара ото­бражается на соответствующую пару на другом конце звена (рис. 7.2).

Рис. 7.2 Схема адресации в сети АТМ

АТМ-модель имеет четырехуровневую структуру, которая включает:

1. Пользовательский уровень (протоколы IPX/SPX или TCP/IP);

2. Адаптационный уровень;

3. АТМ-уровень;

4. Физический уровень.

Пользовательский уровень обеспечивает создание сообщений для передачи в сеть АТМ. Уровень адаптации обеспечивает доступ пользовательских приложений к устройствам АТМ, формирует АТМ-ячейки и передает их на АТМ-уровень для последующей обработки. Физический уровень обеспечивает передачу ячеек через среду передачи информации и состоит из подуровня преобразования передачи и подуровня адаптации к среде.

Каждая физическая цепь может содержать несколько виртуальных путей, каждый из которых в свою очередь состо­ит из нескольких виртуальных каналов. Такая схема упрощает адресацию, так как по­зволяет объединять группу пользователей в один VPI. Для адресации группы пользователей здесь достаточно прочитать только первые 12 бит заголовка ячейки, содержащие VPI.

Пара VPI/VCI является эквивалентом понятия «идентификатор канала данных», используемого в сетях Frame Relay, или понятия «номер логического канала», используемого в сетях пакетной коммутации Х.25. Однако, она не соответствует по­нятию адрес источника/адрес назначения в локальных сетях.

Мультиплексирование в АТМ-сетях может осуществляется на двух уровнях:

1. На нижнем уровне мультиплексируются виртуальные каналы;

2. На верхнем уровне - виртуальные пути.

Число виртуальных каналов равно 2¹⁶ = 65536, число виртуальных путей - 2⁸ = 256, что дает возможность сформировать 16 777 216 виртуальных цепей, проходящих через интерфейс. Эти возможности расширяются в процессе маршрутизации, т.к. сущест­вует еще одна степень свободы - адреса портов, на которые принимаются и с которых отправля­ются АТМ-потоки. При одинаковом числе портов коммутатора на входе и выходе, это дает допол­нительные возможности при коммутации АТМ-потоков, так как потоки с одним значе­нием VPI/VCI, поступившие на разные порты, рассматриваются как независимые.

В отличие от других технологий, АТМ допускает каксимметричные, так и асимметрич­ные связи. При симметричных связях ширина полосы пропускания канала в обоих направления одинако­ва, при несимметричных - может быть различна.

Примеры других технологий организации глобальной сети

Коммутируемая мультимегабитная информационная служба SMDS (Switched Multimegabit Data Service) предназначенная для объединения локальных сетей, разработана в 80-е годы и реализована в начале 90-х годов. Система SMDS функционирует как высокоскоростная опорная сеть, транспортирующая пакеты от одной локальной сети к другой и рассчитана на большие краткосрочные пиковые режимы трафика. В системе SMDS используется N каналов до ближайшего SMDS-маршрутизатора. Передача данных здесь производится без установления соединения. Адреса источника и места назначения включают 4-битный код, за которым следует телефонный номер, содержащий до 15 десятичных чисел. Каждая цифра кодируется четырьмя битами. Телефонный номер содержит код страны, код зоны и номер клиента, что делает сеть SMDS международной. Когда пакет попадает в сеть SMDS, первый маршрутизатор проверяет, соответствует ли адрес отправителя номеру входной линии. При несоответствии пакет отбрасывается. Существенной особенностью SMDS является возможность мультикастинга, т.е. способа передачи, когда пользователь может составить список номеров и присвоить этому списку специфический адрес. Отправка пакета по этому адресу вызовет рассылку его копий всем клиентам, чьи адреса присутствуют в списке.

Другой особенностью адресации в SMDS является возможность использования списков доступа для входящих и исходящих пакетов. Такая функция позволяет эффективно строить корпоративные сети. Поле данных может содержать в себе кадр Ethernet или Token Ring, что повышает эффективность и надежность работы сети.

Сетевая служба UltraNet представляет программное и аппаратное обеспечение, которое используется для соединения высокоскоростных компьютерных систем, таких как суперкомпьютеры, минисуперкомпьютеры, универсальные вычислительные машины, устройства обслуживания и пользовательские терминалы. UltraNet может быть соединена с различными сегментами (например, Ethernet и Token Ring) через межсетевые маршрутизаторы. UltraNet обеспечивает услуги, соответствующие физическому, канальному, сетевому и транспортному уровням модели OSI. Также данная сетевая служба поддерживает простой протокол управления сетью SNMP и протокол маршрутизации RIP. Сеть UltraNet строится по звездообразной топологии. Сетевые процессоры соединяют компьютерные системы с системой UltraNet и обеспечивают организацию виртуальных цепей.

Сеть UltraNet состоит из коммутаторов, программного обеспечения для компьютерных систем, сетевых процессоров и адаптеров. Центральный коммутатор UltraNet является точкой связи для компьютерных систем или сетевых сегментов. Он содержит высокоскоростную внутреннюю параллельную шину, объединяющую процессоры портов коммутатора. Сетевые процессоры UltraNet обеспечивают связи между коммутаторами UltraNet и компьютерными системами. Сетевые процессоры могут находиться либо в высокоскоростной компьютерной системе, либо в коммутаторе UltraNet.

Вопросы для самоконтроля по главе 7

1. Определите преимущества использования цифровой связи перед аналоговой.

2. Как строится современная телефонная сеть?

3. Как называется способ оцифровки данных в современных телефонных сетях?

4. Охарактеризуйте принципы коммутации в телефонных сетях. Чем они отличаются?

5. В чем преимущества пакетной коммутации перед остальными методами?

6. Опишите два основных подхода к формированию межсетевого взаимодей­ствия, которые используются в настоящее время.

7. Что понимается под термином «выделенный канал»?

8. Классифицируйте возможные виды выделенных линий связи.

9. Перечислите основные технологии уплотнения и коммутации цифровых каналов.

10. В чем различие подходов к формированию межсетевого взаимодей­ствия на базе протоколов Х.25 и IP?

11. Опишите структуру пакета данных в сетях Х.25.

12. В чем заключается преимущества протокола Frame Relay перед стандартом Х.25?

13. Назовите основные недостатки протокола Frame Relay.

14. В чем основная цель появления ISDN?

15. В чем состоит назначение узкополосной ISDN?

16. Перечислите виды точек подключения для ISDN сетей.

17. В чем заключается режим асинхронной передачи данных?

18. Назовите преимущества и недостатки технологии виртуальных каналов.

19. Охарактеризуйте кратко суть технологии STM.

20. В чем различие технологий STM и ATM?

21. Опишите структуру модели ATM-сети.

22. В чем суть и назначение коммутируемой мультимегабитной информационной службы SMDS?

23. Что представляет собой сетевая служба UltraNet?

24. Опишите типовую структуру сети UltraNet.