5.4. Глобальные сети с коммутацией пакетов

Для ГС с коммутацией пакетов (X.25, FR или ATM, но кроме TCP/IP) характерна оригинальная техника маршрутизации пакетов. Здесь термин «пакет» используется как родовой для обозначения пакетов X.25, кадров FR и ячеек ATM. Эта техника основана на понятии «виртуальный канал» и обеспечивает эффективную передачу долговременных устойчивых потоков данных.

Техника виртуальных каналов заключается в разделении операций маршрутизации и коммутации пакетов. Первый посылаемый пакет содержит адрес вызываемого абонента и прокладывает виртуальный путь в сети, настраивая промежуточные коммутаторы. Остальные пакеты проходят по проложенному виртуальному каналу в режиме коммутации на основании номера виртуального канала, который является локальным адресом для каждого порта каждого коммутатора [1, 5].

Техника виртуальных каналов по сравнению с маршрутизацией каждого пакета (IP, IPX) имеет преимущества: ускоренная коммутация пакетов, сокращение адресной части пакета, а значит, и избыточности заголовка. Ее недостатки: невозможность распараллеливания потока данных между двумя абонентами по разным путям, неэффективность установления виртуального пути для кратковременных потоков данных.

Сети X.25 относятся к одной из наиболее старых и отработанных технологий ГС. Стандарт X.25 (1974 г.) описывает не внутреннее устройство сети, а только пользовательский интерфейс с сетью (UNI, см. рис.5.1), что является характерной особенностью ГС. Внутреннее устройство сети может быть произвольным и определяется ее оператором. На практике коммутаторы ГС взаимодействуют между собой по протоколам, аналогичным UNI. Для взаимодействия между собой сетей различных операторов связи обычно разрабатывается интерфейc между сетями (NNI, см. рис.5.1), часто являющийся модификацией UNI [1].

Сеть X.25 подходит для передачи трафика низкой интенсивности и в меньшей степени соответствует более высоким требованиям трафика ЛС.

В структуре сети имеется специальное устройство для сборки из низкоскоростных стартстопных потоков байтов от терминалов в пакеты (Packet Assembler Disassembler, PAD), передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. PAD выполняют функции канального и сетевого уровней.

Сеть X.25 имеет трехуровневый стек протоколов. Его протоколы на канальном и сетевом (в терминах X.25 – пакетном) уровнях работают с установлением соединения, управляют потоками данных и исправляют ошибки (на ненадежных линиях связи). Однако на надежных волоконно-оптических каналах технология X.25 становится избыточной и неэффективной, так как значительная часть работы ведется вхолостую.

На физическом уровне определены синхронные интерфейсы X.21 и X.21 bis к оборудованию передачи данных цифровой или аналоговой линии. Протокол физического уровня линии связи не оговорен, что дает возможность использовать линии разных стандартов.

На канальном уровне обычно используется протокол сбалансированного доступа к линии связи (Link Access Protocol – Balanced, LAP-B), когда узлы соединения равноправны. По нему устанавливается соединение между пользовательским оконечным оборудованием (компьютером, IP- или IPX-маршрутизатором) и коммутатором сети, а также между непосредственно связанными коммутаторами. Протокол LAP-B ориентирован на соединение и использует алгоритм скользящего окна для надежной передачи кадров между двумя непосредственно соединенными устройствами. В отличие от реализации в TCP реализация алгоритма скользящего окна в LAP-B проще. Здесь нумеруются не байты, а кадры. Окно имеет фиксированный размер (8 или 128 кадров) и не может изменяться динамически.

Соединения LAP-B обеспечивают надежную связь между двумя соседними узлами, но не дают возможности обмениваться информацией конечным узлам.

Сетевой (пакетный) уровень X.25 рассчитан только на работу с одним протоколом канального уровня и не может объединять разнородные сети, как это делает протокол IP.

На сетевом уровне определен протокол X.25/3, устанавливающий виртуальное соединение между конечными узлами. Его основными функциями являются: установление и разрыв виртуального канала (соединения) между конечными абонентами сети; маршрутизация пакетов; управление потоком пакетов.

Отличием технологии X.25 от рассматриваемых далее технологий FR и ATM является то, что она представляет собой технологию сетевого уровня, поскольку после установления виртуального канала в сети X.25 данные передаются именно протоколом сетевого уровня.

Сеть X.25 состоит из коммутаторов, расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными линиями (цифровыми или аналоговыми). Устройства PAD могут быть встроенными или удаленными. Встроенное устройство PAD обычно расположено в стойке коммутатора, терминалы получают доступ к нему по телефонной сети с помощью модемов. Удаленное устройство PAD подключается к коммутатору через выделенную линию связи X.25. Терминалы подключаются к удаленному устройству PAD по асинхронному интерфейсу. Одно устройство PAD обеспечивает доступ для 8, 16 или 24 асинхронных терминалов.

Компьютеры и ЛС обычно подключаются к сети X.25 непосредственно через адаптер X.25 или маршрутизатор, поддерживающий на своих интерфейсах протоколы X.25 [1, 5].

Сети трансляции кадров frame relay работают на основе весьма упрощенной по сравнению с X.25 технологии, когда кадры передаются только по протоколу канального уровня LAP-F. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, из-за чего технология и получила свое название. Сети FR создавались специально для передачи пульсирующего компьютерного трафика, причем в ориентации на использование волоконно-оптических кабелей ГС. Их особенностью является резервирование пропускной способности при прокладке в сети виртуального канала, когда указывается средняя скорость трафика – согласованная информационная скорость (Committed Information Rate, CIR) и согласованный объем пульсаций (Committed Burst Size, B_c) – максимальное число байтов, которое сеть будет передавать от этого пользователя за интервал времени T. Сеть FR гарантирует поддержку заказанных параметров качества обслуживания за счет предварительного расчета возможностей каждого коммутатора, а также отбрасывания кадров, нарушающих соглашение о трафике (посылаемых в сеть слишком интенсивно). Первые сети FR поддерживали только службу постоянных виртуальных каналов, а коммутируемые виртуальные каналы стали поддерживаться недавно.

Учитывая высокое качество волоконно-оптических каналов, разработчики технологии FR не включили в ее протоколы функции обеспечения надежности. Если ошибка все же происходит, то технология FR игнорирует эту ситуацию, оставляя работу по восстановлению утерянных или искаженных кадров протоколам верхних уровней (например, TCP).

Именно благодаря низкой протокольной избыточности технология FR обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие времена задержки кадров.

Технологию FR относят к технологиям канального уровня, поскольку она обеспечивает только процедуры передачи пользовательских данных. А процедуры установления виртуального канала выполняются с привлечением протокола сетевого уровня.

По виртуальным каналам FR могут передаваться данные различных протоколов. Например, в кадры FR инкапсулируются пакеты сетевых протоколов IP и IPX, протоколов ЛС (Ethernet), а также протокола SNA [1].

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) является дальнейшим развитием идей предварительного резервирования пропускной способности виртуального канала. Она поддерживает два типа трафика разных категорий абонентов:

• трафик с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR), характерный для телефонных сетей и сетей передачи изображения;

• трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR), характерный для компьютерных сетей, а также для передачи компрессированного голоса и изображения.

Для каждого типа трафика пользователь может заказать у сети значения нескольких параметров качества обслуживания, например, максимальной скорости передачи данных (Peak Cell Rate, PCR), средней скорости передачи данных (Sustained Cell Rate, SCR), максимального размера пульсации (Maximum Burst Size, MBS), а также параметров контроля временных соотношений между передатчиком и приемником, важных для трафика, чувствительного к задержкам.

Технология ATM сама не определяет новые стандарты физического уровня, а использует физический уровень технологий PDH и SONET/SDH.

Так как ATM поддерживает все основные существующие типы трафика, она выбрана в качестве транспортной основы широкополосных (Broadband) цифровых сетей с интеграцией услуг B-ISDN, идущих на смену сетям ISDN.