Структуризація телекомунікаційних мереж

Структура зв `язків і процедури організації взаємодії найбільш прості в локальних мережах. З точки зору технологій передачі даних локальні мережі, як правило, однорідні, тобто всі вузли використовують одні й ті ж алгоритми і засоби передачі даних. Ця однорідність забезпечує високий рівень стандартизації, що істотно полегшує як створення мереж, так і їх експлуатацію. Технологія мережі в основному визначається процедурами MAC - рівня, від цих процедур залежать її основні властивості. Основний мережний ресурс - колективна середовище передачі даних (канал зв'язку), і ефективність управління ним (МАС - процедури) значною мірою визначають загальну ефективність роботи. Локальні мережі призначені для роботи при відносно малих відстанях і невеликому числі вузлів. Завдяки однорідності технології та середи передачі даних з простою топологією зв'язків локальні мережі мають високу функціональною гнучкістю, легко модернізуються, не вимагають складних комунікаційних пристроїв. Дуже поширені в сучасних системах управління технічними об'єктами.

Але, за певних вимогах до системи передачі даних, їх достоїнствами можуть перетворитися на недоліки і суттєві обмеження. Найбільш важливі обмеження - це обмеження на довжину зв'язків, кількість вузлів і продуктивність (трафік). Крім того, однорідність технології передачі даних теж може бути істотним обмеженням, У розподілених системах управління можуть істотно відрізнятися завдання, які вирішуються різними підсистемами, а, отже, і вимоги до засобів передачі даних. Виникає необхідність створювати всю телекомунікаційну мережу по самим жорстким вимогам, а це призводить до істотних додаткових витрат. Більшість зазначених обмежень можна обійти, якщо однорідну локальну мережу розділити на кілька структурних компонентів.

Першим рівнем структуризації є поділ мережі на логічні сегменти, в межах сегмента елементи утворюють окрему самостійну локальну мережу з усіма необхідними атрибутами і властивостями. Кожний логічний сегмент може навіть використовувати свою, незалежну від інших сегментів мережеву технологію. Природно, що для нормальної роботи виникає необхідність організації передачі даних між логічними сегментами. Цей зв'язок між сегментами реалізується додатковими комунікаційними пристроями, вони спеціально створюються для вирішення саме цих завдань. Логічні сегменти теж можуть утворювати свої топологічні структури і т.д.

При подальшому ускладненні топології для логічних сегментів можуть діяти ті ж обмеження, що і для вузлів локальної мережі, ускладнюються завдання комунікаційних пристроїв. Виникає необхідність в подальшій структуризації, а це призводить до того, що рівень каналу вже не може впоратися зі зростаючими вимогами. При складній топології мережі потрібно вирішувати завдання визначення шляхів (маршрутів) передачі даних, для цього необхідні спеціальні алгоритми і засоби, які і є основним змістом мережевого рівня. Всі ці процедури виходять за рамки технологій локальних мереж і складають основу, так званих, глобальних мереж.

2. Фізична та логічна топологія

Як вже зазначалося, фізична топологія мережі визначається структурою фізичних ліній зв'язку, а логічна топологія залежить від шляхів передачі даних. Якщо спеціальні комунікаційні пристрої не використовуються, фізична і логічна топології збігаються. Наприклад, в CAN - мережі і фізична, і логічна топології - загальна шина. Досить часто в локальних мережах потрібно застосування концентраторів (хабів), а вони перетворять топологію мережі. У Ethernet і Token ring фізична топологія - зірка, а логічна топологія - загальна шина і кільце відповідно (рис. 1). Структуризація локальної мережі здійснюється застосуванням спеціальних комунікаційних пристроїв: мостів, комутаторів, маршрутизаторів і шлюзів. Мости й комутатори призначені для поділу мережі на логічні сегменти. Маршрутизатори є основними засобами вирішення задач мережевого рівня. Шлюзами зазвичай називають комунікаційні пристрої для об'єднання мереж з різними мережевими технологіями, можуть одночасно із цим виконувати функції мостів або маршрутизаторів.

У рамках канального рівня можливо тільки поділ локальної мережі на логічні сегменти. Тобто мости й комутатори є засобами канального рівня, і використовувані ними алгоритми та процедури не повинні виходити за межі задач канального рівня. У логічний сегмент об'єднують вузли по функціональному чи територіальною ознакою. Найбільш ефективним вважається виділення в логічний сегмент робочих груп - вузлів з ​​переважним трафіком між елементами всередині групи (наприклад, 80% - внутрішній трафік, 20% - зовнішній трафік). Використовувані алгоритми роботи мостів і комутаторів забезпечують для логічних сегментів локалізацію потоку даних.

Рис. 1. Фізична та логічна топологія мережі

Логічні сегменти тільки частково ізольовані один від одного. Трафік між вузлами одного сегмента не повинен виходити за межі цього сегмента, а повідомлення, спрямовані в інші сегменти, повинні надходити до одержувачів. Мережа зберігає зв'язок між елементами різних сегментів, і в той же час ізолює потік даних усередині кожного сегмента. Таким чином, всі можливості локальної мережі з передачі даних між вузлами зберігаються, і одночасно зменшується сумарний трафік в поділюваному каналі зв'язку. Повна ізоляція сегментів досягається тільки у віртуальних локальних мережах, в цьому випадку реалізується повну заборону передачі даних між сегментами.

Локалізація трафіка в логічних сегментах дозволяє істотно знизити навантаження на канал зв'язку. Наприклад, якщо трафік сегментів відповідає правилу 80/20, при поділі мережі на 5 сегментів отримаємо наступні результати. При сумарному трафіку 5Т 80% є внутрішнім для кожного сегмента (0,8 Т) і тільки 20% надходять в усі сегменти (1,0 Т), тобто трафік кожного сегменту 0,8 Т +1,0 Т = 1,8 Т (1,2 Т якщо «зовнішні» повідомлення надходять тільки в один сегмент). Для неструктурованої мережі трафік всіх сегментів становить 5Т і приблизно в 2,8 (4) рази більше. Для Ethernet за певних умов при перевантаженні каналу зв'язку і менше зниження навантаження може в багато разів знизити ймовірність колізій і суттєво підвищити ефективність системи передачі даних.

3. Комунікаційні влаштування локальних мереж

Раніше було показано, що робота в складі локальної мережі потребує коректного і ефективного виконання певних процедур канального рівня, починаючи від формування кадру з урахуванням алгоритмів контролю даних і відновлення спотворених або загублених в процесі передачі даних (LLC підрівень) і закінчуючи управлінням доступом до середовища передачі даних (MAC підрівень). Всі ці завдання канального рівня повинні вирішуватися кожним вузлом локальної мережі, тому всі вузли обов'язково містять комунікаційні пристрої (у комп'ютерних мережах - мережеві адаптери, в CAN-мережі - CAN-контролери), що реалізують ці процедури канального рівня. Найчастіше завдання, які вирішуються цими пристроями, виходять за межі канального рівня і, наприклад, включають досить складні процедури контролю і діагностики роботи елементів мережі.

У локальних мережах, навіть без поділу на логічні сегменти, може знадобитися застосування додаткових комунікаційних пристроїв. Наприклад, перетворення фізичної топології «зірка» в логічну топологію «загальна шина» або «кільце» виробляється концентраторами (хабами). Хаб - найбільш простий комунікаційний пристрій, його функції полягають у ретрансляції надходять на один із вхідних портів повідомлень на інші вихідні порти. Виконуючи такі операції, хаб змінює логічну топологію мережі. Зазвичай порти хаба двонаправлені (вхід / вихід) і таких портів - декілька. Природно, що хаб повинен працювати чітко у відповідності до MAC-процедурами. Як правило, хаби виконують додаткові контрольні функції і можуть відключати порти з некоректно працюють вузлами мережі. Хаб не є повноцінним вузлом локальної мережі, тобто він не має власного MAC-адреси і не може бути ні відправником, ні одержувачем повідомлень. Таким чином, хаб об'єднує окремі фізичні сегменти мережі в єдину середу передачі даних, у відповідності з використовуваною мережевою технологією.

Для розділення єдиного середовища передачі даних на логічні сегменти в локальних мережах застосовують більш складні комунікаційні пристрої: мости і комутатори. Мости й комутатори також реалізують тільки MAC-процедури і, отже, є пристроями для вирішення задач канального рівня. Як правило, вони теж не мають самостійних MAC-адрес і не можуть бути ні відправниками, ні одержувачами повідомлень. На відміну від хабів мости й комутатори забезпечують селективну ретрансляцію вступників повідомлень, розділяючи локальну мережу на відносно самостійні логічні сегменти. Якщо одержувач повідомлення знаходиться в одному логічному сегменті з відправником, що надійшло повідомлення не передається на інші вихідні порти. Якщо надійшло повідомлення адресоване в інший сегмент, воно або повторюється на всіх вихідних портах, або тільки на те, який відповідає адресується логічного сегменту. Для такої селективної ретрансляції мости й комутатори повинні робити аналіз MAC-адрес всіх вступників повідомлень. Очевидно, що ця необхідність суттєво ускладнює роботу цих комунікаційних пристроїв. Зазвичай міст містить один загальний процесор обробки повідомлень для всіх портів і тому виконує обробку повідомлення тільки одного логічного сегмента (порту). Решта порти повинні в цей час приймати повідомлення, які надходять в буферні ЗУ і чекати в черзі на обробку. Це може істотно знижувати продуктивність мережі.

Комутатори містять процесори обробки повідомлень в кожному порту і тому забезпечують незалежну та одночасну обробку повідомлень кожного логічного сегмента (порту). Комутатори можуть проводити обробку повідомлень з повною буферизацією або «на льоту». Через відносно низьку продуктивність мости в даний час практично не застосовуються.

Досить часто виникає необхідність у використанні в різних логічних сегментах мережі різних мережевих технологій. У цих випадках комунікаційні пристрої повинні на різних вихідних портах реалізовувати різні MAC-процедури. Пристроїв, що дозволяють об'єднувати в єдину мережу сегменти з різними мережевими технологіями, прийнято називати шлюзами (gate way). Шлюзи, крім функцій комутаторів, повинні виконувати перетворення форматів повідомлень і реалізовувати необхідні MAC-процедури для кожного сегмента. Особливо актуальні такі завдання в складних складових мережах.

4. Технічна реалізація комутаторів

Для ефективної роботи в комутаторах необхідно забезпечити одночасну передачу повідомлень між різними портами, тобто пропускна здатність повинна відповідати сумарної пропускної здатності портів. Кожен порт повинен містити буферне ЗП для зберігання повідомлень у випадках, коли вихідний порт (або його канал зв'язку) зайнятий передачею іншого повідомлення. Найбільш жорсткі вимоги по швидкодії пред'являються до комутаторів при обробці повідомлень «на льоту».

В даний час використовується три основні схеми реалізації комутаторів: комутаційні матриці, що розділяється пам'ять, загальну шину. Досить часто ці схеми можуть комбінуватися в одному комутаторі. Але в будь-якому варіанті реалізації всі порти комутатора повинні утворювати повнопов'язаних конфігурацію, тобто повідомлення з кожного порту повинні при необхідності діяти в будь-який інший порт.

Комутаційна матриця (рис. 2) забезпечує найшвидший спосіб взаємодії портів і являє собою комбінаційну логічну схему, що забезпечує передачу сигналів від кожного порту до будь-якого іншого порту. Дуже часто її будують подібно багатоступінчастим матричним дешифратора, сигнали керуючі напрямом передачі формуються на основі аналізу MAC - адреси і додаються до вихідного повідомлення (так званий тег), швидкодія елементів матриці порівнянно зі швидкістю передачі даних. Однак складність комутаційної матриці дуже істотно зростає при збільшенні кількості портів комутатора.

Рис. 2. Реалізація комутаційної матриці за допомогою двійкових перемикачів

У комутаторах із загальною шиною (рис. 3) порти пов'язані високошвидкісною шиною, що забезпечує продуктивність більшу, ніж сумарна продуктивність портів. Повідомлення по внутрішній шині повинні передаватися невеликими порціями - осередками, це необхідно для запобігання затримок передачі інших повідомлень. Загальна шина не передбачає буферизації осередків. Кожен порт приймає всі комірки, за допомогою тегів накопичує в буфері ті осередки, які адресовані йому і передає їх у вихідний канал.

Рис. 3. Архітектура загальної шини

Взаємодія портів комутатора можна організувати за допомогою двухвходових пам'яті, що розділяється (мал. 4). Запис до колективної пам'ять із вхідних портів здійснюється також осередками за допомогою менеджера черг, аналогічним чином проводиться читання даних для передачі у вихідні порти.

Рис. 4. Архітектура пам'яті, що розділяється

Два останні способи пред'являють дуже високі вимоги по швидкодії елементів комутатора.

5. Алгоритм «прозорого» мосту

Коректність роботи комутаторів в значній мірі залежить від коректності інформації про склад кожного логічного сегмента. Ця інформація зберігається в комутаторах в так званих адресних таблицях (таблицях комутації), у вигляді записів про відповідність MAC-адрес вузлів мережі і адрес вихідних портів (адрес логічних сегментів) у комутаторі. Адресні таблиці можна створювати вручну, цей спосіб є досить трудомістким і вимагає оновлення інформації при будь-яких змінах в мережі. Можуть використовуватися процедури «маршрутизації від джерела», які, по-перше, потребують додаткових службових полів в МАС-кадрах для передачі цих даних, і, по-друге, вимагають зберігання даних про топологію мережі в кожному вузлі. Найбільш ефективним і універсальним алгоритмом автоматичного формування адресних таблиць в даний час є алгоритм «прозорого» моста (рис. 5).

В алгоритмі «прозорого» мосту вузли мережі не беруть участі у формуванні адресних таблиць. При початковому включенні комутатора, що працює за цим алгоритмом, адресні таблиці не містять необхідної інформації. У цьому випадку всі повідомлення ретранслюються в усі вихідні порти, крім порту, з якого це повідомлення надійшло. Одночасно з цим для кожного повідомлення, що надійшло створюється запис в адресній таблиці про відповідність МАС-адреси джерела і адреси порту. При появі цього запису всі повідомлення, що направляються з цього МАС-адресою, будуть передаватися тільки у відповідний логічний сегмент. У міру заповнення адресних таблиць у процесі роботи комутатора, все менше повідомлень будуть направлятися в усі сегменти мережі. Для того, щоб в адресних таблицях могли відображатися зміни топології мережі, кожному рядку адресної таблиці встановлюється час життя, тобто інтервал часу, протягом якого ця інформація вважається дійсною. Якщо за час життя МАС-адресу повторюється в повідомленнях, то час життя продовжується. Якщо за час життя МАС-адреса відсутня в повідомленнях, запис анулюється.

Рис. 5. Принцип роботи «прозорого» мосту

Недоліками алгоритму «прозорого» мосту є чутливість до широкомовним штормам та обмеження на топологію сегментів. Широкомовні шторми при некоректній роботі будь-якого вузла можуть різко збільшувати обсяг трафіку і приводити до перевантаження та блокування роботи. Коректне формування адресних таблиць можливо тільки при деревоподібної топології, коли між будь-якою парою вузлів існує єдиний шлях. При появі петель і контурів можливо некоректне заповнення адресних таблиць з багаторазовою передачею повідомлення в замкнутому контурі.

Існують алгоритми, що дозволяють працювати комутаторів без таких обмежень на топологію мережі. Один з таких популярних алгоритмів називають алгоритмом покриває дерева (spanning tree algorithm - STA). Алгоритм STA перетворять довільну топологію зв'язків у активну деревоподібну, надлишкові зв'язку в цьому алгоритмі переводяться в розряд резервних і не використовуються поки не виникає в них необхідність. STA автоматично визначає відмови окремих компонентів локальної мережі і перетворює резервні зв'язку в активні, реалізуючи нову деревоподібну топологію з урахуванням виявлених відмов.

Для роботи алгоритму STA комутатори повинні обмінюватися спеціальними службовими пакетами, тому на відміну від усіх інших, які вирішуються на канальному рівні завдань вимагають наявності MAC-адреси комутатора. Обмін службовими пакетами необхідний і для визначення активної конфігурації мережі, і для тестування мережі в процесі роботи для виявлення відмов. Службові пакети поміщаються в поле даних канальних кадрів.

Активна конфігурація визначається у три етапи:

• Спочатку в мережі вибирається кореневої комутатор, від якого будується покриває дерево, при автоматичному визначенні кореневого комутатора їм стає комутатор з меншим значенням MAC-адреси.

• Потім для кожного комутатора визначається кореневої порт, цей кореневої порт вибирається по найкоротшій відстані до кореневого комутатора (відстань зазвичай оцінюють кількістю проміжних комутаторів від вихідного порту до кореневого комутатора або сумарним умовним часом передачі одного біта).

• На останньому етапі для кожного логічного сегмента вибирається призначений порт, тобто порт, який має найкоротша відстань від даного сегмента до кореневого комутатора. Всі інші порти і зв'язку в топології мережі через них блокуються, переводяться в розряд резервних і забороняються для використання. При цьому активна топологія мережі завжди буде древововідной без петель і контурів.

У процесі роботи кореневої комутатор періодично генерує службові пакети для тестування мережі. Якщо після закінчення тайм-ауту на який-небудь кореневої порт не надійде службовий пакет кореневого комутатора, це говорить про відмову яких-небудь активних зв'язків. Комутатор, що не одержав протягом заданого часу службовий пакет, починає процедуру визначення нової активної конфігурації за описаним вище алгоритмом.

6. Способи передачі повідомлень

Дейтаграммний і з встановленням з'єднання (LLC -1, LLC -2, LLC -3). При передачі повідомлень на канальному рівні мережі автоматично передбачається, що одержувач і відправник мають загальний канал зв'язку і навіть на рівні локальної мережі необхідно тільки виконати певні процедури управління передачею даних у вже наявному каналі зв'язку. Тому з точки зору управління на канальному рівні обидва способи передачі даних принципово не відрізняються. Передача з встановленням з'єднання вимагає тільки певних додаткових процедур для перевірки готовності одержувача до прийому даних.

У мережах зі складною топологією при передачі повідомлень необхідно попередньо визначити канал зв'язку, а це завдання на канальному рівні вже не може бути вирішена і вимагає зовсім інших засобів вирішення. Ці кошти існують на наступному - мережевому рівні. Підтримання постійно діючих каналів зв'язку для передачі даних в складових мережах дуже складно, а при великих відстанях практично нереально. Зазвичай зв'язку в телекомунікаційній мережі утворені комутованими каналами, ресурси яких розподіляються мережею між вступниками заявками на передачу даних. Зміст процедур при різних способах організації передачі даних на мережевому рівні суттєво змінюється. Передача з встановленням з'єднання вимагає досить складні процедури попереднього вибору і закріплення необхідних каналів зв'язку. А дейтаграммний спосіб передачі потребує вирішення задач маршрутизації, тобто вибору маршрутів доставки повідомлень, для кожного повідомлення окремо. І той, і інший способи передачі даних мають певні переваги і знаходять застосування в сучасних телекомунікаційних технологіях.

З точки зору комутації стосовно до мережевого рівня для організації каналів зв'язку в даний час застосовуються три основні способи комутації: каналів, повідомлень, пакетів. Під комутацією в даному випадку розуміється виділення необхідних ресурсів в каналах зв'язку для передачі даних. Для управління ресурсами каналів зв'язку і забезпечення доступу до них необхідні спеціальні процедури і алгоритми та засоби їх реалізації. Ці завдання істотно ускладнюються через розподіленого характеру як самих керованих ресурсів, так і засобів керування ними. Дуже часто завдання управління вимагають передачі по тих же каналах зв'язку досить великих обсягів службової інформації і тому кошти управління теж споживачі мережевих ресурсів. На відміну від засобів вирішення задач канального рівня кошти мережевого рівня є повноправними елементами мережі з усіма необхідними атрибутами, в тому числі і самостійними мережевими адресами.

Комутація каналів. Це самий старий спосіб комутації і передбачає створення мережевими засобами безперервного фізичного каналу між вузлами. До цих пір застосовується в телефонних мережах. Цей фізичний канал монопольно закріплюється за двома вузлами на час сеансу зв'язку, з точки зору надійності цю перевагу, тому що забезпечує підвищену надійність зв'язку. Але цей же факт є і істотним недоліком, так як використання ресурсів каналів зв'язку дуже неефективно, якщо канал зв'язку вільний в окремі інтервали часу, інші елементи мережі не можуть отримати до нього доступ, поки з'єднання встановлено. Комутація каналів вимагає виконання досить складної процедури встановлення з'єднання і тому, навіть при досить тривалих паузах у використанні каналу зв'язку, розривати з'єднання недоцільно. Другий істотний недолік цього способу комутації - пропускна здатність каналу визначається самим поганим ділянкою каналу (у більшості випадків це лінія «останньої милі»). Буферизація сигналів і даних не передбачається, тобто комунікаційне обладнання виконує функції «телефонних комутаторів».

Комутація повідомлень. Цей спосіб комутації з'явився пізніше і застосовувався в службах електронної пошти. Кожне повідомлення передається повністю, у всіх проміжних вузлах приймається на буферну ЗУ і після необхідної обробки направляється в наступний вузол, поки не досягне пункту призначення. Може використовуватися передача з встановленням з'єднання або дейтаграммний спосіб передачі. В даний час використовується рідко, обсяги відправлених повідомлень можуть бути дуже різними і вимагають надлишково великих обсягів буферів.

Комутація пакетів. В даний час самий ефективний спосіб передачі даних на мережевому рівні. Кожне повідомлення розбивається на пакети відносно невеликих стандартних розмірів, що істотно полегшує буферизацію і обробку у всіх вузлах мережі. Ця процедура одночасно вимагає створення додаткових коштів для відновлення повідомлень і збереження їх цілісності в пункті призначення. Однак простота транспортування стандартних блоків даних (пакетів), як і в будь-транспортній системі, є вирішальною перевагою. Також може використовуватися дейтаграммний спосіб передачі або передача з встановленням з'єднання. У зв'язку з більш високою надійністю передачі з встановленням з'єднання використовуються алгоритми організації роботи з елементами комутації каналів. Зокрема, віртуальні канали з комутацією пакетів по властивостям багато в чому аналогічні системам з комутацією каналів, але одночасно зберігають багато якості систем з комутацією пакетів.

Віртуальні канали з комутацією пакетів вимагають обов'язкової процедури встановлення з'єднання з рішенням задачі маршрутизації. Після створення віртуального каналу всі пакети цього віртуального каналу передаються по прокладеному маршруту з використанням процедур аналогічних канальним процедур.

Список літератури

1. Крук Б., Шуваєв В. Телекомунікаційні системи та мережі - Новосибірськ, 2008.

2. Уолренд Дж. Телекомунікаційні та комп'ютерні мережі. - М.: Постмаркет, 2007.

3. Оліфер В.Г., Оліфер Н.А. Комп'ютерні мережі. Принципи, технології, протоколи. - СПб.: «Пітер», 2010.

4. Оліфер В.Г., Оліфер Н. А. Основи мереж передачі даних. - СПб.: «Пітер», 2005.

5. Хамбракен Д. Комп'ютерні мережі: Пер. з англ. - М.: ДМК Пресс, 2004.

6. Нансі Б. Комп'ютерні мережі: Пер. з англ. - М.: «БІНОМ», 2006.