Лекция №10 «Стеки протоколов и типы сетей в автоматизированных системах»

1. Протокол TCP

Протоколы, используемые совместно в сетях определенного типа, объединяют в совокупности, называемые стеками протоколов. Широко известны стеки протоколов ТСРЯР, SPX/IPX, X.25, Frame Relay (FR), ATM, семиуровневые протоколы ЭМВОС. Наибольшее распространение получили протоколы TCP/IP в связи с их использованием в качестве основных в сети Internet. TCP/IP — пятиуровневые протоколы, но базовыми среди них, давшими название всей совокупности, являются протокол транспортного уровня TCP (Transmission Control Protocol) и протокол сетевого уровня IP (Internet Protocol). Эти протоколы поддержива­ются такими ОС, как Unix и Windows-95/NT.

TCP —дуплексный транспортный протокол с установлением соединения. Под установлением соединения подразумевают установление виртуального канала в сети путем обмена запросом и согласием на соединение между отправителем и получателем сообщения.

К другим функциям TCP относятся упаковка и распаковка пакетов на концах транспортного соединения; управление потоком - получатель одновременно с подтверждением правильности переда­чи сообщает размер окна, т. е. число пакетов, которые получатель готов принять, или, что практически то же самое, число пакетов, которые отправитель может послать в сеть, не дожидаясь получения подтверждения об их правильном приеме; помещение срочных данных между специальными указателями, т. е. возможность управлять скоростью передачи.

В программном обеспечении протокола TCP имеется программа-агент, которая постоянно готова к работе и при приходе запроса и установлении соединения генерирует свою копию для обслуживания создаваемого соединения, а сама программа-родитель ждет новых вызовов.

В схеме установления соединения в сетях клиент — сервер предусмотрена посылка клиентом запроса на соединение (команда ACTIVE_OPEN) с указанием адреса сервера, тайм-аута (времени жизни), уровня секретности. Можно сразу же поместить в запрос данные (тогда используется команда ACTIVEOPENWITHDATA). Если сервер готов к связи, он отвечает коман­дой согласия (OPENRECEIVED), в которой назначает номер соединения.

Далее командой SEND посылаются данные, а командой DELIVER подтверждается их получение. Разъединение выполняется обменом команда­ми CLOSE и CLOSING.

В одноранговых сетях используется трехшаговая процедура установления соединения. Сначала инициатор А посылает запрос на установление прямого соединения, затем приемник В отвечает согласием и посылает запрос на установление обратного соединения, узел А отвечает на это согласием.

Структура TCP-пакета (в скобках указано число битов) в предположении, что пакет посылается от узла А к узлу В:

• порт отправителя Л (16);

• порт получателя 5(16);

• код позиции в сообщении, т. е. порядковый номер первого байта в поле данных пакета, посылаемого от А к В (32);

• подтверждение в виде номера следующего байта, ожидаемого от узла 5(32);

2. Техническое обеспечение САПР

• управление (16), включающее данные о размере заголовка и ряд одно­битовых признаков, например запроса на соединение, конца передаваемых дан­ных, срочности передачи данных и т. п.;

• размер окна (16), предлагаемый узлом А, т. е. число байтов, которое может послать узел В до получения подтверждения от узла А;

• контрольный код (16);

• дополнительные признаки (16);

• опции (24);

• заполнитель (8);

• данные.

Протокол TCP является байтовым в том смысле, что каждый байт сообщения получает свой порядковый номер. Отсюда вытекает одно из ограничений на максимально допустимую в протоколе TCP/IP пропускную способность. Это ограничение составляет 2³² байт/время жизни дейтаграммы, так как для конкретного соединения в сети не должно одновременно существовать более одного байта с одним и тем же номером.

Еще более жесткое ограничение возникает вследствие представления раз­мера окна 16 битами. Это ограничение заключается в том, что за время T_v прохождения пакета от отправителя к получателю и обратно в сеть может быть направлено не более 2¹⁶ информационных единиц конкретного сообщения. По­скольку обычно такой единицей является байт, то имеем (2¹⁶ • 8 бит) / T_v. Так, для каналов со спутниками на геостационарных орбитах T_v составляет около 0,5 с и ограничение скорости будет около 1 Мбит/с. Можно заметно увеличить этот предел, если в качестве информационной единицы использовать С байт (С>1).

В протоколе TCP повторная передача пакета происходит, если в течение оговоренного интервала времени Т_т (тайм-аута) от получателя не пришло поло­жительное подтверждение правильного приема. Обычно Т_т=21, где t— некото­рая оценка времени T_v прохождения пакета в обе стороны. Это время перио­дически корректируется по результату измерения Г_у, а именно

t: = 0,9 t + 0,1T_v.

Попытки повторных передач пакета не могут продолжаться бесконечно, и при превышении интервала времени, устанавливаемого в пределах 0,5... 2,0 мин, соединение разрывается.

Поля «Размер окна» имеются в пакетах как прямого, так и обратного со­единений, их значения устанавливают узлы, отсылающие пакеты, с учетом раз­меров буфера, имеющейся информации о перегрузке сети и т. п. Обычно для управления окном используют меньшее из двух значений размера окна. При этом узел А может отправлять пакеты с номерами байтов не более у = к + т, если к — размер окна, а в поле «Подтверждение» последнего пришедшего от получателя В пакета указан номер т следующего ожидаемого байта.

Размер окна регулируют следующим образом. Если сразу же после установления соединения выбрать завышенный размер окна, что означает раз­решение посылки пакетов с высокой интенсивностью, то велика вероятность появления перегрузки определенных участков сети. Поэтому используют алгоритм так называемого медленного старта. Сначала посылается один пакет и при подтверждении его приема окно увеличивается на размер одного пакета (обычно это 512 байт), т. е. теперь можно посылать два пакета.

Если вновь приходит положительное подтверждение (потерь пакетов нет), то посылается уже четыре пакета и т. д. Скорость растет, пока пакеты проходят успешно. При потере пакета или при приходе от протокола управления сигнала о перегрузке сети размер окна уменьшается и далее возобновляется процедура линейного роста размера окна. Медленный старт снижает информационную скорость, особенно при пересылке коротких сообщений, поэтому стараются применять те или иные приемы его улучшения.

2. Протокол IP

Сетевой протокол IР — дейтаграммный сетевой протокол, т. е. протокол без установления соединения. В дейтаграммных протоколах сообщение разбивается на дейтаграммы. Дейтаграмма — это пакет, передаваемый независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что требует дополнительных операций по сборке сообщения из дейтаграмм в узле-получателе. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечи­вается лишь контролем в оконечном узле.

К функциям протокола IP относятся фрагментация и сборка пакетов при прохождении через промежуточные сети, имеющие другие протоколы; маршрутизация, т. е. определение пути прохождения пакета по разветвленной сети; проверка контрольного кода заголовка пакета (правильность передачи всего пакета проверяется на транспортном уровне, т. е. с помощью TCP, в оконечном узле); управление потоком — сброс дейтаграмм при превышении заданного времени жизни.

Структура дейтаграммы в IP (в скобках указано число битов):

• версия протокола IP (4) (практически используются версии IPv4 и IPv6);

• длина заголовка (4), т. е. число 32-битных слов в заголовке;

• тип сервиса (8);

• общая длина (16) информационной части пакета в байтах;

• идентификация (16) — порядковый номер дейтаграммы; место фрагмента в дейтаграмме (16), т. е. номер фрагмента, который ис­пользуется при восстановлении дейтаграммы из фрагментов;

 

• время жизни дейтаграммы в сети (8);

• тип протокола (8);

• контрольный код CRC заголовка (16);

• адрес источника (32);

• адрес назначения (32);

• опции (32);

• данные (не более 65 356 байт).

Приведенная структура заголовка соответствует версии протокола IP, называемой четвертой версией IPv4. Один из недостатков этой версии — 32-битный размер адреса. Действительно, 32 бита соответствуют 2³²«4,3 млрд адресов, а это в связи с бурным ростом числа компьютеров в Internet уже вызывает затруднения с распределением адресного пространства. Поэтому разработана и постепенно вводится в действие версия IPv6, в которой применена другая структура заголовка и адресации. Как частный случай, в структуре ГРуб-адреса можно разместить 1Ру4-адрес, т. е. сети с протоколами этих версий могут работать совместно. Пока (к 2002 г.) большинство доменов Internet работает по протоколу IPv4.

Всего в сети одновременно может быть 2¹⁶ и 65 тыс. дейтаграмм сообщения с разными идентификаторами, т. е. за отрезок времени, равный времени жизни дейтаграммы, может быть передано не более 2¹⁶ дейтаграмм. Это один из факторов, ограничивающих пропускную способность сетей с протоколом IP. Действительно, при времени жизни 120 с имеем предельную скорость 2¹⁶/ 120 = 546 дейтаграмм в секунду, что при размере дейтаграммы до 65 тыс. байт дает ограничение скорости приблизительно в 300 Мбит/с (такое же значе­ние одного из ограничений предельной скорости получено выше и для прото­кола TCP).

Время жизни может измеряться как в единицах времени Т, так и в хопах Р (число пройденных маршрутизаторов). В первом случае контроль ведется по записанному в заголовке значению Т, которое уменьшается на единицу каждую секунду. Во втором случае каждый маршрутизатор уменьшает число Р, записанное в поле «Время жизни», на единицу. При Т = 0 или при Р = 0 дейтаграмма сбрасывается.

Поле «Опции» рассматривается как необязательное.

3. Адресация в TCP/IP

В протоколах TCP/IP различают два типа адресов. На канальном уровне используют адреса, называемые физическими. Это шестибайтовые адреса сетевых плат, присваиваемые изготовителем контроллеров (как уже отмечалось, каждый изготовитель вместе с лицензией на изготовление получает уникальный диапазон адресов). На сетевом уровне используют сетевые адреса, иначе называемые виртуальными или логическими.

Различают понятия сетевых адреса и имени, имеющих цифровое и буквенное выражения соответственно.

Сетевой адрес называют IP-адресом. В IPv4 это четырехбайтовый код, состоящий из двух частей: адреса сети и адреса узла (заметим, что узел, имеющий IP-адрес, называют хостом). Имя характеризует пользователя. Его составляют в соответствии с доменной системой имен.

Соответствие между IP-адресом и IP-именем хоста устанавливается специальной службой имен. В Internet это DNS (Domain Name Service), в семиуровневой модели ISO — стан­дарт Х.500.

IP-имя, называемое также доменным именем, — удобное для человека название узла или сети. Имя отражает иерархическое построение глобальных сетей и потому состоит из нескольких частей (аналогично обычным почтовым адресам). Корень иерархии обозначает либо страну, либо отрасль знаний, например: ru — Россия, us—США, de—Германия, uk—Великобритания, edu—наука и образование, com — коммерческие организации, org — некоммерческие организации, gov—правительственные организации, mil — военные ведомства, net — служба поддержки Internet и т. д. Корень занимает в IP-имени правую позицию, левее записываются локальные части адреса и, наконец, перед символом @ указывается имя почтового ящика пользователя. Так, запись [e-mail] расшифровывается следующим образом: пользователь norenkov имеет почтовый ящик в сервере www.cdl организации bmstu в стране ru.

IP-адрес — слово, записываемое в виде четырех частей (побайтно), разделенных точками. Каждые подсеть и узел в подсети получают свои номера, причем для сети можно использовать от одного до трех старших байтов, а оставшиеся байты — для номера узла. Какая часть IP-адреса относится к сети, определяется ее маской, выделяющей соответствующие биты в IP-адресе. Например, для некоторой сети маска может быть 255.0.0.0, а для ее подсети — 255.255.0.0 и т. д. Тем самым описывается иерархия сетей.

Адреса при включении новых хостов в сеть выдает одна из уполномоченных организаций-провайдеров, предоставляющих телекоммуникационные услуги. Провайдер, в частности, обеспечивает включение IP-адреса и соответствующего ему IP-имени в сервер службы адресов DNS. Это означает запись данных о хосте в DIB (Directory Information Base) локального узла DNS.

При обращении к сети пользователь, отправляющий сообщение, задает IP-имя получателя. Поскольку маршрутизация в сети осуществляется по IP-адресам, то с помощью серверов DNS осуществляется перевод указанного IP-имени в IP-адрес.

В локальной сети, где используются шестибайтовые адреса, называемые МАС-адресами, требуется преобразование IP-имен в MAC-адреса. Это преоб­разование выполняется с помощью специального протокола ARP, имеющегося в стеке TCP/IP. Для этого создаются ARP-таблицы соответствия IP и MAC адресов данной сети.

Маршрутизация в Internet организована по иерархическому принципу. Имеются уровни ЛВС и корпоративных сетей; маршрутных доменов, в каждом из которых используются единые протоколы и алгоритмы маршрутизации; административных доменов, каждый из которых соответствует некоторой ассоциации и имеет единое управляющее начало. В маршрутных доменах есть внешние маршрутизаторы для связи с другими маршрутными или административными доменами.

Обращение из некоторого узла к другому узлу в Internet (например, из wwwcdl.bmstu.ru по адресу http:// www.eevl.ac.uk) происходит следующим об­разом.

Сначала IP-имя переводится в IP-адрес. Для этого происходит обращение к местному серверу (bmstu), и если там сведений о сети назначения нет, то происходит переход к серверу следующего, более высокого уровня (ru) и далее по иерархии вниз до получения IP-адреса хоста назначения. В местном DNS-cepвере могут быть сведения об IP-адресах хостов из удаленных доменов, если к ним происходят достаточно частые обращения из данного домена.

4. Другие протоколы стека TCP/IP

В стек протоколов ТСРЯР входит ряд других протоколов. Например, на транспортном уровне это протокол UDP (User Datagram Protocol) — транс­портный протокол без установления соединения, он значительно проще TCP, но его используют чаще всего для сообщений, умещающихся в один пакет. После оформления UDP-пакета он передается с помощью средств IP к адресату, который по заголовку IP-пакета определяет тип протокола и передает пакет не агенту TCP, а агенту UDP. Агент определяет номер порта и ставит пакет в очередь к этому порту. В UDP служебная часть дейтаграммы короче, чем в TCP (8 байт вместо 20 байт), не требуется предварительного установления соединения или подтверждения правильности передачи, как это делается в TCP, что и обеспечивает большую скорость за счет снижения надежности доставки.

FTP (File Transfer Protocol) — протокол с функциями представительного по ЭМВОС уровня;

Telnet — протокол с функциями сеансового по ЭМВОС уровня.

На нижних уровнях в TCP/IP используются протоколы ШЕЕ 802/Х или Х.25.

Для управления сетью в стек TCP/IP включены специальные протоколы управления.

Среди протоколов управления различают протоколы, реализующие управляющие функции сетевого уровня, и протоколы мониторинга за состоянием сети, относящиеся к более высоким уровням. В сетях ТСР/IР роль первых из них выполняет протокол ICMP (Internet Control Message Protocol), роль вторых — протокол SNMP (Simple Network Management Protocol).

Основные функции ICMP:

• оповещение отправителя с чрезмерным трафиком о необходимости уменьшить интенсивность посылки пакетов; при перегрузке адресат (или промежуточный узел) посылает ICMP-пакеты, указывающие на необходимость сокращения интенсивности входных потоков;

• контроль времени Гжизни дейтаграмм и их ликвидация при превышении Т или искажении данных в заголовке;

• оповещение отправителя о недостижимости адресата; отправление ICMP-пакета с сообщением о невозможности достичь адресата осуществляет маршрутизатор;

• формирование и посылка временных меток (измерение задержки) для контроля T_v — времени доставки пакетов, что нужно для «оконного» управления. Например, время доставки T_v определяется следующим образом. Отправитель формирует ICMP-запрос с временной меткой и отсылает пакет. Получатель меняет адреса местами и отправляет пакет обратно. Отправитель сравнивает метку с текущим временем и тем самым определяет T_v.

• ICMP-пакеты вкладываются в IP-дейтаграммы при доставке.

• Основные функции протоколов мониторинга заключаются в сборе информации о состоянии сети, предоставлении этой информации нужным лицам путем посылки ее на соответствующие узлы, возможном автоматическом принятии необходимых управляющих мер.

• Собственно собираемая информация о состоянии сети хранится в базе данных под названием MIB (Management Information Base). Примеры данных в MIB: статистика по числу пакетов и байтов, отправленных или полученных правильно или с ошибками, длины очередей, максимальное число соединений и др.

Протокол SNMP относится к прикладному уровню в стеке протоколов TCP/IP. Он работает по системе менеджер — агент. Менеджер (серверная программа SNMP) посылает запросы агентам, агенты (программы SNMP объектов управления) устанавливаются в контролируемых узлах, они собирают информацию (например, о загрузке, очередях, временах совершения событий) и передают ее серверу для принятия нужных мер. В общем случае агентам можно поручить и обработку событий, и автоматическое реагирование на них. Для этого в агентах имеются триггеры, фиксирующие наступление событий, и средства их обработки. Команды SNMP могут запрашивать значения объектов MIB, посылать ответы, менять значения параметров.

Чтобы послать команду SNMP, используют транспортный протокол UDP.

Одной из проблем управления по SNMP является защита агентов и менеджеров от ложных команд и ответов, которые могут дезорганизовать работу сети. Используется шифрование сообщений, но это снижает скорость реакции сети на происходящие события.

Расширением SNMP являются протоколы RMON (Remote Monitoring) для сетей Ethernet и Token Ring и RMON2 для сетевого уровня. Преимущество RMON заключается в меньшем трафике, так как здесь агенты более самостоятельны и сами выполняют часть необходимых управляющих воздействий на состояние контролируемых ими узлов.

Дальнейшее развитие подобных систем может идти в направлении связи сетевых ресурсов с проектными или бизнес-процедурами и сетевых событий с событиями в процессе проектирования или управления предприятиями. Тогда система управления сетью станет комплексной системой управления процессами проектирования и управления предприятием.

Рассмотрим другие стеки протоколов.

5. Протоколы SPX/IPX

В сетях Netware фирмы Novell используются протоколы SPX (Sequence Packet Exchange) и IPX (Internet Packet Exchange) для транспортного и сетевого уровней соответственно.

Адрес получателя в пакете IPX состоит из номера сети (фактически номера сервера), адреса узла (это имя сетевого адаптера) и имени гнезда (прикладной программы). Пакет имеет заголовок в 30 байт и блок данных длиной до 546 байт. В пакете SPX заголовок включает 42 байт, т. е. блок данных не более 534 байт.

Установление виртуального соединения в SPX (создание сессии) заключается в посылке клиентом запроса connect, возможная реакция сервера — connected (успех) или disconnected (отказ). Запрос на разъединение возможен как от сервера, так и от клиента.

После установления соединения передача ведется по дейтаграммному протоколу IPX.

6. Сети Х.25 и Frame Relay

Сети Х.25, работающие по одноименному стеку протоколов, предложенному международным телекоммуникационным союзом ITU (International Telecommunication Union), относятся к первому поколению сетей коммутации пакетов. Протоколы Х.25 разработаны еще в 1976 г. В свое время они получили широкое распространение, в России их популярность сохраняется, поскольку эти сети хорошо приспособлены к работе на телефонных каналах невысокого качества, составляющих в России значительную долю каналов связи. С помо­щью сетей Х.25 удобно соединять локальные сети в территориальную сеть, устанавливая между ними мосты Х.25.

Стандарт Х.25 относится к трем нижним уровням ЭМВОС, т. е. включает протоколы физического, канального и сетевого уровней. На сетевом уровне используется коммутация пакетов.

Характеристика сети Х.25:

• пакет содержит адресную, управляющую, информационную и контрольную части, т. е. в его заголовке имеются флаг, адреса отправителя и получателя, тип кадра (служебный или информационный), номер кадра (используется для правильной сборки сообщения из пакетов);

• на канальном уровне применено «оконное» управление, размер окна задает число кадров, которые можно передать до получения подтверждения (это число равно 8 или 128);

• передача данных по виртуальным (логическим) каналам, это относится к сетям с установлением соединения;

• узлы на маршруте, обнаружив ошибку, ликвидируют ошибочный пакет и запрашивает повторную передачу пакета.

В сетевом протоколе Х.25 значительное внимание уделено контролю ошибок (в отличие, например, от протокола IP, в котором обеспечение надежности передается на транспортный уровень). Эта особенность приводит к уменьшению скорости передачи, т. е. сети Х.25 низкоскоростные, но при этом их можно реализовать на каналах связи с невысокой помехоустойчивостью. Контроль ошибок производится при инкапсуляции и восстановлении пакетов (во всех промежуточных узлах), а не только в оконечном узле.

При использовании на физическом уровне телефонных каналов для подключения к сети достаточно иметь компьютер и модем. Подключение осуществляет провайдер (провайдерами для Х.25 являются, например, владельцы ресурсов сетей Sprint, Infotel, «Роспак» и др.)

Типичная структура сети Х.25 показана на рис. 2.10.

Типичная АКД в Х.25 — синхронный модем с дуплексным бит-ориентированным протоколом. Скорости от 9,6 до 64 кбит/с. Протокол физического уровня для связи с цифровыми каналами передачи данных — Х.21, а с аналоговыми— Х.2 Ibis.

В сетях пакетной коммутации Frame Relay (FR) в отличие от сетей Х.25 обеспечивается большая скорость передачи данных (до 45 Мбит/с) за счет исключения контроля ошибок в промежуточных узлах, так как контроль, адресация, инкапсуляция и восстановление выполняются в оконечных пунктах, т. е. на транспортном уровне. В промежуточных узлах ошибочные пакеты могут только отбрасываться, а запрос на повторную передачу происходит от конечного узла средствами уровня, выше сетевого. Но для реализации FR нужны помехоустойчивые каналы передачи данных.

Другая особенность FR—пункты доступа фиксируются при настройке порта подключения к сети, а не динамически в процессе установления соединения. Поэтому наиболее подходящая сфера применения FR — объединение совокупности ЛВС, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

В сетях FR сигнализация о перегрузках осуществляется вставкой соответствующих битов в заголовок пакетов, проходящих по перегруженному маршруту, управление потоками предусматривает динамическое распределение полосы пропускания между соединениями. Поэтому возможна, в отличие от сетей Х.25, не только передача данных, но и передача оцифрованного голоса (так как для передачи голоса обычно требуется режим реального времени).

По этой же причине FR лучше приспособлены для передачи неравномерного трафика, характерного для связей между ЛВС. Сети FR также получают широкое распространение в России по мере развития помехоустойчивых каналов связи, так как облегчен переход к ним от сетей Х.25. Заметим, что радикальное повышение скоростей передачи интегрированной информации связывают с внедрением сетей асинхронной передачи данных.

7. Сети ATM

Технология асинхронной передачи данных, реализованная в сетях ATM (Asynchronous Transfer Mode), относится к перспективным технологиям, обеспечивающим высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, видеоинформация характеризуется большими объемами, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (например, для голосовой связи—не более 6 с).

Сети ATM относят к сетям с установлением соединения, но возможны варианты и без установления соединения. Соединения могут быть постоянными и динамическими. Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

Каждое соединение получает свой идентификатор, который указывается в заголовке ячеек. При установлении соединения каждому коммутатору на выбранном пути следования данных передается таблица соответствия идентификаторов и портов коммутаторов. Коммутатор, распознав идентификатор, направляет ячейку в нужный порт. Непосредственное указание в заголовке адресов получателя и отправителя не требуется, заголовок короткий — всего 5 байт.

Высокие скорости в ATM обеспечиваются рядом технических решений.

Во-первых, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно использовать для параллельной передачи частей одного и того же «объемного» сообщения (статистическое мультиплексирование). При этом цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длины участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить N интервалов, сово­купность которых называют виртуальным каналом. Скорость передачи можно регулировать, изменяя N. Если сеть ATM оказывается перегруженной, то во избежание потери информации возможна буферизация данных для выравнивания загрузки кана лов.

Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) служебной RМ-ячейки в информационный поток. В эту ячейку промежуточные коммута­торы и конечный узел могут вставлять значения управляющих битов, сигнали­зирующие о перегрузке или недогрузке канала. RM-ячейка от конечного узла передается в обратном направлении источнику сообщения, который может со­ответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим за­нятия всех свободных ресурсов при перегрузке. Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.

Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообще­ний (но не заголовков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунктах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации паке­тов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) для информационной час­ти сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения.

В-третьих, упрощена маршрутизация. Собственно установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в TCP/IP. Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголовок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Такую передачу называют маршрутизацией от источника. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения (в отличие, например, от IP). При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра. Кадр проходит через промежуточные маршрутизаторы и (или) коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваивается номер VPI/VCI (идентификаторы) маршрута. Если передача адресована нескольким узлам, то соответствующие идентификаторы в коммутаторах присваиваются нескольким каналам.

В-четвертых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буферизации данных, исключает необходимость инкапсуляции или конвертирования пакетов при смене форматов в промежуточных сетях (если они соответствуют формату ячейки ATM), упрощает коммутацию.

В технологии ATM введены три уровня (рис. 2.11). Адаптационный уровень AAL аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС, на нем происходит разделение сообщения на пакеты (до 64 К байт) с у правляющей и контрольной информацией, те, в свою очередь, делятся на 48-байтные ячейки, выполняется преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации, определяется вид сервиса. При этом должна поддерживаться скорое гь передачи данных, необходимая для обеспечения соответствующею сервиса. На следующем уровне, называемом ATM, к каждой ячейке добавляется пятибайговый заголовок с маршрутной информацией. Третий уровень — физический Р — слушал для преобразования данных в электрические или оптические сигналы.

Физические среды для ATM-сетей — каналы SDH или, реализуемые на ВОЛС, витой паре или коаксиальном кабеле При использовании магистральной сети SDH для передачи информации по технологиям АГМ или FR сети ATM и FR называют наложенными вторичными сетями. Доступ к транспортной сети осуществляется через специальные мультиплексоры.

Каналы ATM со скоростями 51, 155,622 и 2488 Мбит/с называют каналами ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 соответственно. К сожалению, в распространен­ных протоколах, таких, как ТСР/ГР или Х.25, пакеты имеют переменную длину, что вызывает трудности совмещения программно-аппаратных средств распространенных технологий и ATM, в связи с чем замедляется внедрение ATM.

В настоящее время используются также промежуточные технологии. Таковой прежде всего является рассмотренная технология ретрансляции кадров (FR), в которой применена коммутация пакетов длиной 4 кбит с установлением соединения.

Проблемы совмещения технологий ATM и существующих сетей решаются организацией ATM Forum и рядом промышленных фирм. Разрабатываются коммутаторы и концентраторы, обеспечивающие совместную работу АТМ-магистралей, сетей, работающих по протоколам ТСР/ГР, и локальных сетей, таких, как Ethernet, Fast Ethernet, FDDI. В частности, разработаны спецификации IP-over-ATM и более современные МРОА (Multi-Protocol-Over-ATM), a также реализующие их средства для передачи IР-дейтаграмм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через АТМ-сети.

При реализации TCP/IP поверх ATM-протоколов необходимо сохранить высокую скорость АТМ-сети. Однако этому препятствуют возможные потери при передаче некоторых 53-байтных ячеек, на которые разбивается ТСР-сегмент. Такая потеря вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента, поскольку в ATM контроль правильности передачи ведется по отно­шению ко всему сообщению (в данном случае сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяют специальные алгоритмы.

8. Промышленные сети

В интегрированных системах проектирования и управления на уровнях цеховом и ниже используются специальные вычислительные сети АСУТП, называемые промышленными (или Fieldbus). В число узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции числового управления технологическим оборудованием и функции SCADA.

Обычными для промышленных сетей являются предельные расстояния между узлами (датчиками, исполнительными устройствами и контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений - до 1 К байт (в сжатой форме). Важное требование к промышленной сети — обеспечение работы в реальном масштабе времени, поэтому для АСУТП сети типа Ethernet не подходят, поскольку в них не гарантируется ограничение задержек сверху.

9. Сетевое коммутационное оборудование

Узлы в средах передачи данных, выполняющие функции связи между частями сложной сети (internetworking), составляют сетевое (коммутационное) оборудование. В сетевое оборудование входят повторители, мосты, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы, модемы и др.

Повторитель (repeater) — блок взаимодействия, служащий для регенерации электрических сигналов, передаваемых между двумя сегментами ЛВС. Повторители используются в случае, если реализация ЛВС на одном сегменте кабеля (отрезке, моноканале) не допускается из-за ограничений на расстояние или на число узлов, причем при условии, что в соседних сегментах используются один и тот же метод доступа и одни и те же протоколы. Трафик в сегментах, соединенных повторителем, — общий. Повторитель может быть многопортовым. Сигнал, пришедший на один из портов, повторяется на всех остальных портах.

Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Так, концентраторами являются хабы в сетях 10Base-T или Token Ring. Однако такие концентраторы подобно повторителям создают общую среду передачи данных без разделения трафика.

Мост (bridge) — блок взаимодействия, служащий для соединения разных подсетей, которые могут иметь неодинаковые канальные протоколы.

При малых расстояниях между подсетями связь возможна через серверы подсетей, в которых размещаются интерфейсные платы, называемые внутренними мостами, и соответствующее сетевое программное обеспечение. Возможно применение внешних мостов — специально выделяемых узлов для це­лей сопряжения по одному в каждой из соединяемых подсетей. Внешние мосты обходятся дороже, но обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики. Важная функция мостов — ограничение трафика, так как локальный трафик одной подсети замыкается в ней, не проходя в другую подсеть.

Обычно мост имеет два порта, хотя существуют и многопортовые мосты. Каждый порт может оказаться входным или выходным. Управление передачей пакетов выполняется с помощью маршрутной таблицы моста, в которой строки содержат соответствующие друг другу значения адреса узла и номера порта моста.

Возможные варианты мостовых соединений представлены на рис. 2.12.

Вариант б обеспечивает большую пропускную способность по сравнению с вариантом а. Вариант в близок к варианту б по пропускной способности, он дороже, но именно его необходимо применять, если расстояния между подсетями довольно большие. Вариант г используют для увеличения скорости при большом трафике. Наконец, вариант д предназначен для случаев расстояний в несколько километров и более.

Корпоративную сеть, состоящую из подсетей, связанных мостами, можно назвать автономной системой (AS — Autonomous System). Связь одной AS с другими осуществляется через маршрутизатор или шлюз. Такой маршрутизатор называют пограничным. В качестве AS можно рассматривать и более сложную совокупность связанных AS, если эта совокупность имеет выход во внешние сети опять же через пограничный маршрутизатор (шлюз). Из сказанного следует, что структура глобальных сетей является иерархической.

Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих узлов или подсетей с разделением трафика между подсетями. Как и в мостах, пакеты передаются только в ту подсеть, для которой они предназначены, что уменьшает общую загрузку сети. Но в отличие от многопортового моста в коммутаторе возможно одновременно иметь много соединений, т. е. обеспечивается параллельная передача сообщений. Коммутаторы используют также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Один коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.