close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Krylov1 08208E31A3

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Ю. Д. Крылов
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2015
УДК 004.7(075.8)
ББК 32.973.202я73
К85
Рецензенты:
профессор, доктор технических наук В. В. Михайлов;
доцент, кандидат технических наук А. А. Ключарёв
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Крылов, Ю. Д.
К85 Интегрированные вычислительные сети: учеб. пособие /
Ю. Д. Крылов. – СПб.: ГУАП, 2015. – 58 с.
ISBN 978-58088-1024-2
Рассмотрены современные высокоскоростные локальные и глобальные вычислительные сети, а также интегрированные вычислительные сети, способные передавать высокоскоростной трафик для
различных типов сервиса.
Издание предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и
другим родственным специальностям.
УДК 004.7(075.8)
ББК 31.973.202я73
ISBN 978-58088-1024-2
©
©
Крылов Ю. Д., 2015
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
ЛВС – локальная вычислительная сеть
КВК – коммутируемый виртуальный канал
АТМ – асинхронный режим передачи
МОС – Международная организация по стандартизации
УДС – управление доступом к среде
ЛС – локальная сеть
ЦСИС – цифровая сеть интегрированного сервиса
У-ЦСИС – узкополосная цифровая сеть интегрированного
сервиса
Ш-ЦСИС – широкополосная цифровая сеть интегрированного
сервиса
КК – коммутация каналов
КП – коммутация пакетов
КС – коммутация сообщений
МК – многоканальная коммутация
БКП – быстрая коммутация пакетов
КД – коммутация дейтаграмм
КрК – кроссовая коммутация
ТВ – телевидение
МВВ – мультиплексор ввода/вывода
МСЭ – Международный союз электросвязи
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время вычислительные сети применяются во многих отраслях человеческой деятельности. Появились новые информационные технологии, позволяющие соединять локальные и
глобальные вычислительные сети, системы сотовой и спутниковой
связи в единые информационные системы, способные передавать и
обрабатывать разнородный трафик. Появились интегрированные
вычислительные сети, предоставляющие такие услуги пользователям, которые ранее не предоставлялись.
Учебное пособие состоит из четырех разделов. В разд. 1 описываются интегрированные вычислительные сети в плане требований
к параметрам передачи различных видов информации и услуги,
предоставляемые этими сетями. В разд. 2 дано описание высокоскоростных локальных вычислительных сетей. Здесь рассматриваются высокоскоростные сети Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/с и высоко надёжная сеть FDDI с применением двух
колец, использующая маркерный способ доступа с ранним освобождением маркера. Разд. 3 посвящён высокоскоростным глобальным вычислительным сетям. Здесь рассматриваются АТМ-сети и
их связь с сетями синхронной цифровой иерархии. В разд. 4 рассматриваются сети синхронной цифровой иерархии и их способность обнаруживать и исправлять многие неисправности в автоматическом режиме.
4
1. СЕТИ СВЯЗИ С ИНТЕГРАЦИЕЙ УСЛУГ
1.1. Методы коммутации в ЦСИС
В настоящее время телекоммуникационные сети являются синтезом первоначально независимых сетей – сетей связи и вычислительных сетей. Этот синтез обусловлен следующими факторами.
Современные системы связи требуют применения цифровых систем
передачи и вычислительной техники для решения задач маршрутизации, управления трафиком, мониторинга и т. д., а логика развития вычислительной техники предусматривает наличие связи между ЭВМ, локальными и глобальными вычислительными сетями.
К современным сетям связи предъявляются следующие требования:
– передача с высоким качеством;
– распределение, обработка и хранение информации различного
вида от разнородных источников;
– возможность управления со стороны пользователя;
– оперативное получение от сети ответных реакций на запросы
пользователя;
– объединение (при необходимости) и разделение ресурсов между пользователями.
Логическая связь между разнородными потоками (данных,
речи, неподвижных и видеоизображений и т. д.) и их совместная
обработка делают целесообразным использование общей сети. Оборудование и протоколы нижних уровней этой сети должны служить
основой разнообразных служб. Передача должна идти с высокой
постоянной и переменной скоростью, а также иногда и с маломеняющейся задержкой. Высокая скорость и малые задержки требуются для передачи больших объемов информации (например, изображений) в режиме диалога, а малые изменения задержки – для
качественного воспроизведения звука и видеоизображений в реальном времени. Пропускная способность должна расходоваться
экономно.
Этим требованиям удовлетворяют цифровые сети с интеграцией
служб (ЦСИС) или ISDN (Integrated Services Digital Network). Основные службы, предоставляемые этими сетями: телефон, передача данных, факсимиле, доступ к банкам данных и т. д.
Сначала появились узкополосные ЦСИС (У-ЦСИС) или N-ISDN
(Narrowband Integrated Services Digital Network), т. е. узкополос5
ные цифровые сети с интеграцией служб, а затем и широкополосные Ш-ЦСИС или B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital
Network). Скорость передачи информации у У-ЦСИС до 2 Мбит/с, а
у широкополосных 155 Мбит/с и выше.
В этих сетях наряду с системной интеграцией осуществлена и
информационная интеграция.
В ЦСИС применяются следующие методы коммутации [1]:
– коммутация каналов (КК);
– коммутация пакетов (КП);
– трансляция кадров (Frame Relay);
– коммутация сообщений (КС);
– многоканальная коммутация (МК);
– быстрая коммутация пакетов (БКП).
Для связи, чувствительной к задержкам (речь и т. д.), обычно применяют сети с коммутацией каналов (КК). При этом соединения получают фиксированную часть пропускной способности
линий на весь сеанс связи, в узлах коммутации накопление и обработка не производятся, а просто передается сигнал из одной линии в другую. При этом обеспечивается предсказуемое малое время доставки сообщения, но при передаче с переменной скоростью
пропускная способность канала используется не полностью.
В сетях с коммутацией пакетов соединению в узле коммутации выделяется вся пропускная способность выходной линии
на время передачи пакета, затем узел может перейти к передаче
пакета другого соединения (режим мультиплексирования). При
этом минимизируется время простоя линии, однако появляется некоторая неопределенность в работе сети, поскольку пакеты
могут иметь различную длину и поступают в узел коммутации
неравномерно. При совместной передаче речевого и видеотрафика с трафиком данных длинные пакеты могут вызывать недопустимо большие колебания задержки речи и видеоизображений.
Возможность накопления пакетов в узлах коммутации позволяет применять статистическое мультиплексирование прерывистых
потоков, при котором типовая скорость выходного потока может
быть меньше суммы пиковых скоростей входных потоков. Однако
из-за указанной неопределенности возможны потери пакетов при
переполнении буфера в узле коммутации. Поэтому существуют и
разрабатываются новые методы ограничений трафика от пользователей.
Трансляция кадров – это режим коммутации пакетов (характерный для сетей Frame Relay), при котором не предусматривается по6
вторная передача ошибочных кадров между узлами коммутации.
Подтверждение о правильности приема информации осуществляется лишь между пользователями.
Коммутация сообщений сходна с коммутацией пакетов, но требует памяти большого объема в узлах коммутации, так как сообщения имеют произвольную длину.
При многоканальной коммутации осуществляется коммутация
пользователей на скорости n×64 Кбит/с; n = 1,…, 30 /1/.
Быстрая коммутация пакетов (fast packet switching) – это новый
метод коммутации, повышающий производительность коммутаторов. Основным отличием этого метода является реализация основных функций узла коммутации аппаратным способом и применение параллельной обработки. Узлы коммутации проектируются по
модульному принципу: чтобы увеличить число портов и производительность узла достаточно увеличить число процессоров в нем.
Благодаря этому в глобальных сетях задержка в узлах становится
значительно меньшей, чем задержка распространения в линиях,
что характерно для сетей коммутации каналов.
1.2. Требования к параметрам передачи различных
видов информации
Основными видами информации, поступающей от пользователей вычислительных сетей интегрального обслуживания, являются следующие [2].
Речевая информация передается обычно по каналам тональной
частоты в диапазоне 200–3400 Гц. В современных телефонных
и интегрированных вычислительных сетях аналоговый речевой
сигнал после дискретизации с частотой 8–10 КГц преобразуется
в цифровую форму. Наиболее часто используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) или дельта-модуляция (ДМ). Для эффективного использования каналов связи речевая информация
передается пакетами малого объема (по технологии ATM пакеты
имеют длину 53 байта). Таким образом, преобразованная речевая
информация образует поток (трафик) реального времени, который задает жесткие требования к задержке при передаче, но не
критичен к ошибкам. При этом сеть передачи должна обеспечить
достаточно малое время прохождения речевых сигналов, а вариации этого времени должны быть небольшими, иначе существенно
теряется качество передачи речи. Задержка доставки не должна
превышать 800 нс.
7
Видеопотоки – это большие (сотни мегабит) потоки информации
в аналоговой форме. Типичным примером является промышленное
телевидение.
Видеопотоки похожи на речевые потоки информации, но требуют значительно большей полосы пропускания от сети передачи
и,следовательно, скоростей передачи.
Оперативные данные представляют собой цифровые потоки информации относительно небольшого объема. При этом они весьма
чувствительны к задержкам и шумам. Они могут быть пользовательскими и служебными, предназначенными для управления сетью.
Диалоговые данные – это относительно короткие сообщения.
Они допускают достаточно большие задержки, но критичны к шумам и наводкам. Диалоговый трафик меняется весьма интенсивно
во времени и носит взрывной, часто непредсказуемый характер.
Файлы данных и видеофайлы образуют так называемую фоновую информацию. Для передачи такого вида информации обычно
используют режимы передачи сообщений большой длины и с обязательным подтверждением приема.
Для передачи всех перечисленных видов информации используют три уровня приоритетов, которые называются абсолютным, высоким и низким соответственно.
При абсолютном уровне приоритетов информация передается по
кратчайшему пути, независимо от состояния трафика сети.
Высокий уровень приоритетов передачи назначается для информации, передаваемой в реальном масштабе времени. При передаче
с высоким уровнем приоритета сообщения не прерываются, кроме
случая, когда необходимо передать сообщение с абсолютным приоритетом.
При низком уровне приоритета сообщения могут быть прерваны
сообщениями более высокого уровня.
При передаче информации используются следующие методы
коммутации:
– коммутация сообщений (КС);
– коммутация дейтаграмм (КД);
– коммутация пакетов (КП);
– коммутация каналов (КК);
– кроссовая коммутация (КрК).
В табл. 1.1 приведены предельно-допустимые параметры при
передаче различных видов информации при использовании перечисленных методов коммутации и уровней приоритетов [1].
При этом P0 – допустимая вероятность возникновения ошибки;
8
Таблица 1.1
Предельно-допустимые параметры при передаче различных
видов информации
Вид
информации
Метод
коммутации
Уровни приоритетов
Абсолютный
P0
G
T,c
Высокий
P0
G
Низкий
T,c
P0
G T,c
КС
КД
КП
КрК
10–3
"
"
"
0,2 0,5
"
"
"
"
"
"
10–3
"
"
"
0,2 0,5
"
"
"
"
"
"
Видеопотоки
КС
КД
КП
КрК
10–3
"
"
"
0,2 0,5
"
"
"
"
"
"
10–3
"
"
"
0,2 1
"
"
" 0,5
"
"
Оперативные
данные
КС
КД
КП
КК
КрК
10–12 1,0 2 10–9 1,0 10
"
" 10
"
"
"
"
"
" 10–12 0,2 "
"
"
"
10–9 1,0 0,5
"
"
"
"
"
Диалоговые
данные
КС
КД
КП
КК
КрК
10–9
"
"
"
"
Файлы
данных
КС
КП
КрК
10–9
"
"
–
–
Видеофайлы
КС
КрК
10–3
"
–
–
Речь
1,0 2
" 10
"
"
"
"
"
"
10–9
"
"
"
"
1,0 10
"
"
"
"
"
"
"
"
G – среднеквадратическое отклонение допустимого времени передачи; T – допустимое время передачи.
1.3. Услуги, предоставляемые интегрированными
вычислительными сетями
В настоящее время наиболее широкий спектр запросов, удовлетворяемых сетями интегрального обслуживания, обеспечивается сетями B-ISDN или широкополосными сетями интегрального
обслуживания (Ш-ЦСИО), которые согласно рекомендации I.121
Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) являются развитием узкополосных сетей интегрального обслуживания (У-ЦСИО).
9
Таблица 1.2
Виды интерактивного сервиса
Класс
Вид сервиса
Области применения
Диалог
Видеотелефония
Телеобучение
Выбор и заказ товаров с
помощью телевидения
Телереклама
То же
Охрана зданий
Контроль за перемещением
транспорта
Высокоскоростная передача данных
Связь между отдельными ЭВМ
Связь между ЛВС
Передача видеоинформации
Передача файлов данных
Видеоконференции
Видеослежение
Высокоскоростная
передача цифровой
информации
Передача больших
массивов информации
Высокоскоростное
телевидение
Высокоскоростной
телефакс
Изображение с
высокой разрещающей
способностью
Обмен документами
Поиск
Передача
и хранение
Видеопочта
Электронная почта
Видеотекст
Управление в реальном масштабе
времени
Телеметрия
Оповещение о тревоге
Передача текстов, изображений,
рисунков
Медицинская диагностика
Передача высококачественных
изображений
Передача документов смешанного
типа
Электронная почта для передачи
видеоизображений
Для передачи документов
Удаленное обучение и тренинг
Реклама
Выбор и заказ товаров
Поиск новостей
Основным отличием Ш-ЦСИО от У-ЦСИО является предоставление пользователям разных видов широкополосного сервиса с высоким качеством обслуживания. При этом требуются следующие
скорости передачи [4]:
– цветное телевидение (ЦВ) ............................... 4–6 Мбит/с;
– ТВ высокой четкости ...................................16–24 Мбит/с;
10
– черно-белое факсимиле ................................... 1–4 Мбит/с;
– полутоновое факсимиле ................................ 9–16 Мбит/с;
– цветное факсимиле ..................................... 30– 60 Мбит/с;
– машинная графика с высокой разрешающей
способностью .................................................. 10–100 Мбит/с;
– пересылка файлов.................................... до сотен Мбит/с.
Широкополосные виды сервиса, предоставляемые сетями
Ш-ЦСИО, разделяются на интерактивные и дистрибутивные [4].
Интерактивные виды сервиса подразделяются на три класса
(табл. 1.2):
– сервис типа «диалог»;
– сервис типа «поиск»;
– сервис типа «передача и хранение».
В первом случае две или более сторон обмениваются сообщениями в течение сеанса связи. Во втором случае пользователи сети могут осуществлять поиск нужной им информации в различных информационных центрах, например, производится поиск фильмов
в фильмотеках, поиск звуковой информации в хранилищах и т. д.
В третьем случае пользователи обмениваются информацией с помощью «почтового ящика».
При этом они могут производить редактирование и другую обработку информации.
Дистрибутивные виды сервиса делятся на два класса:
– виды сервиса, в которых предусмотрено воздействие со стороны пользователя;
– виды сервиса, в которых не предусмотрено воздействие со стороны пользователя.
11
2. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
2.1. Виды высокоскоростных ЛВС
В настоящее время особое внимание уделяется switch-технологии
для построения высокоскоростных ЛВС. Под switch-технологией
понимается коммутация пакетов данных с созданием коммутируемых виртуальных каналов (КВК).
К высокоскоростным ЛВС относятся следующие сети.
1. FDDI/CDDI (Fiber Distributed Data Interface / Copper DDI).
Здесь используется два кольцевых канала: один кольцевой канал
является рабочим, второй – резервным [3]. Скорость передачи данных – 100 Мбит/с. Область применения – авиация и приборостроение. Используется также для построения региональных сетей (длиной до 200 км) и для подключения мощных рабочих станций.
2. Fast Ethernet 100 Base-T использует один канал с ограниченной пропускной способностью. Cкорость передачи 100 Mбит/с. Сеть
служит для подключения серверов.
3. Switched Ethernet / Switched Token Ring использует КВК
с гарантированной пропускной способностью для соединений.
Скорость передачи для Swiched Ethernet 10 Mбит/с на станцию и
16 Mбит/с на станцию для подключения рабочих мест, серверов,
магистралей ЛВС.
4. Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/с [4].Данная сеть является альтернативой локальной АТМ-сети.
5. Сети АТМ (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный режим передачи ), основанные на использовании КВК с предоставлением пропускной способности каналов при необходимости.
Скорость передачи 25, 155, 622 Мбит/с. Сеть используется для подключения серверов ЛВС, магистралей, региональных сетей, территориальных сетей.
2.2. Высокоскоростные ЛВС Gigabit Ethernet
Архитектура Gigabit Ethernet отличается от предыдущей архитектуры сети Ethernet [4]. Уровни программной структуры и их соответствие уровням эталонной модели взаимодействия открытых
систем (ЭМВОС) приведены на рис. 2.1.
На рис. 2.1 приняты следующие обозначения:
LLC – Logical Link Control – управление логическим звеном;
12
Модель МОС
t
Gigabit Etherne
Прикладной
LLC
Представительный
MAC
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Интерфейс GMII
PCS
PMA
Канальный
PMD
Физический
MDI
Рис. 2.1. Уровни программного обеспечения Gigabit Ethernet
и их соответствие модели МОС
MAC – Medium Access Control – управление доступом к среде;
GMII – Gigabit Media Independent Interface – гигабит-интерфейс, не зависящий от среды;
PCS – Physical Code Sublayer – подуровень физического кодирования;
PMA – Physical Medium Attechment – подуровень физического
подключения;
PMD – Physical Medium Dependent – подуровень, зависящий от
физической среды;
MDI – Medium Dependent Interface – интерфейс, зависящий от
среды.
GMMI – интерфейс связывает MAC-уровень и физический уровень и обеспечивает их взаимодействие. Он поддерживает скорости
10,100 и 1000 Мбит/с и обеспечивает полудуплексный и дуплексный режимы передачи. Этот интерфейс имеет сигналы синхронизации, наличия несущей (в состоянии ON) и отсутствия несущей (в
состоянии OFF).
13
Трансиверный модуль, объединяющий три подуровня физического уровня, может подключаться к коммутатору Gigabit Ethernet
посредством GMII-интерфейса.
Подуровень физического кодирования PCS использует блочное избыточное кодирование 8В10В в сетях 100 BASE-X. При этом
8 бит передаваемой информации преобразуются на основании специальной таблицы в 10-битовые символы.
При использовании интерфейса 1000 BASE-T данный подуровень осуществляет помехоустойчивое кодирование перед передачей по неэкранированной витой паре (Unshielded Twisted Pair –
UTP) категории 5 на расстояние до 100 м. При этом используется
линейный код TX/T2.
Подуровень физического подключения PMA использует интерфейсы, включающие одномодовое (SMF – Single Mode Fiber),
многомодовое (MMF – Multiple Mode Fiber) волокно и неэкранированную витую пару категории 5. Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный и осуществляет обратное преобразование от входящего последовательного
потока от PMD.
Подуровень PMD определяет оптические /электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Этот подуровень
определяет четыре типа физических интерфейсов среды (рис. 2.2).
Gigabit Ethernet
Стандарт IEEE 802.5
Стандарт IEEE 802.3 ab
1000 BASE -X
1000 BASE -LX
1000 BASE -SX
1000 BASE - CX
1000 BASE -T
Лазер 1300 нм
MMF, SMF
Лазер 850 нм
MMF
STP категории 5
до 25 м
UTP категории 5
до 100 м
Рис 2.2. Интерфейсы среды передачи
14
1000 BASE-X разделяется на три физических интерфейса.
Интерфейс 1000 BASE-LX использует в качестве источников
световых излучений лазеры c длиной волны 1270–1355 нм, мощность излучения передатчика от 13,5 до 3 дБм при отношении ON/
OFF (сигнал/ нет сигнала ) не менее 9 дБ.
Интерфейс 1000 BASE-SX использует лазеры с длиной волны–860 нм, мощность излучения передатчика от 10 до 0 дБм. Отношение ON/OFF не менее 9 дБ.
Интерфейс 1000 BASE-CX использует экранированную витую
пару (Shielded Twisted Pair – STP) на расстояние лишь 25 м.
В табл. 2.1 приведены типы кабелей, полосы пропускания и
максимальные расстояния для указанных типов интерфейсов [7].
Интерфейс 1000 BASE-T стандарта 802.3 использует UTP категории 5 и выше длиной до 1000 м. При этом используются четыре пар
проводов со скоростью передачи 250 Мбит/с по каждой паре.
В интерфейсе MDI используются порты RJ-45 для стандарта
1000 BASE-CX или 1000 BASE-T и Duplex SC для cтандарта 1000
BASE-LX или 1000 BASE-SX.
Интерфейс 1000 BASE-T стандарта 802.3 ab использует UTP
категории 5 и выше длиной до 1000 м. При этом используются четыре пары проводов со скоростью передачи 250 Мбит/с по
каждой паре.
Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол CSMA/CD, что и Ethernet и Fast Ethernet.
Таблица 2.1
Характеристики физических интерфейсов
Стандарт
Тип волокна
Полоса
пропускания,
мГц м
Максимальное
расстояние, м
1000 BASELX
Одномодовое (9 мкм)
Многомодовое (50 мкм)
Многомодовое (625 мкм)
–
500
320
5000
550
400
1000 BASESX
Многомодовое (50 мкм)
Многомодовое (625 мкм)
400
200
500
275
1000 BASECX
Экранированная витая
пара STP 150 Ом
-
25
15
В стандарте Ethernet IEEE 802.3 минимальный размер кадра равен 64 байта. Время передачи кадра (время канала) равно
512 ВТ (Bit Time), что соответствует 512 мкс при скорости передачи
10 Мбит/с. При этом максимальная длина сети или максимальное
расстояние между источником и приемником определяется из условия, что время круговой задержки, т. е. время, за которое сигнал
доходит до удаленного узла и обратно, не должно превышать 512 ВТ,
чтобы источник получил сигнал конфликта еще до окончания передачи кадра. В Fast Ethernet скорость передачи 100 Мбит/с, поэтому
время передачи кадра длиной 64 байта будет 5,12 ВТ, но это соответствует уже 5,12 мкс, что привело к значительному уменьшению
окна, в течение которого обнаруживается конфликт.
Для сохранения преемственности в стандарте Gigabit Ethernet
те же самые минимальный и максимальный размеры кадра, что и
в Ethernet и Fast Ethernet. Но при скорости передачи 1000 Мбит/с
время передачи сокращаетcя настолько, что длина сети становится
чрезвычайно малой. Для ее увеличения необходимо резко увеличить
время канала. В данной сети оно соответствует времени передачи
512 байт (а не бит). Для поддержания совместимости со стандартами
Ethernet и Fast Ethernet минимальный размер кадра не увеличен, но
добавлено дополнительное поле, которое называется «расширением
носителя». Кадр Gigabit Ethernet представлен на рис. 2.3.
При этом введены следующие обозначения:
SFD – Start of Frame Delimiter – ограничитель начала кадра;
DA – Destination Address – адрес назначения;
SA – Source Address – адрес источника;
L – длина поля данных (для кадра стандарта 802.3);
T – тип поля данных (для кадра Ethernet);
FCS – Frame Cheek Sequence – контрольная последовательность
кадра.
Преамбула SFD
DA
SA
L
T
64 байт (min)
512 байт (min)
Данные
FCS
1518 байт (min)
1518 байт (max)
Рис. 2.3. Кадр Gigabit Ehthernet
16
Расширение
носителя
2.3. Высокоскоростная сеть FDDI
Волоконно-оптическая интерфейсная ЛВС FDDI – это двухкольцевая ЛВС с маркерным способом доступа, которая в качестве физической среды использует волоконно-оптические линии
связи. Сеть предназначена для обеспечения высокоскоростной
(100 Мбит/с) связи между вычислительными машинами, периферийным оборудованием и т. д.
Часто сеть FDDI используют как средство связи между другими
ЛВС, такими как Ethernet, Token Ring и т. д. Существует также
вариант построения на медном кабеле (СDDI). Все варианты стандарта FDDI для разных типов передающей среды обеспечивают скорость передачи 100 Мбит/с. Преимуществом сетей FDDI является
производительность, надежность и безопасность.
Скорость передачи 100 Мбит/с будет в 10 раз выше скорости
в сетях Ethernet (10 Мбит/с) и в 6 раз выше максимальной скорости
сетей Token Ring (16 Мбит/с).
Надежность (отказоустойчивость) сетей FDDI обеспечивается применением двух колец передачи данных. В нормальном состоянии
данные передаются только по основному кольцу (Primary Ring). При
одиночном физическом разрыве, т. е. обрыве кабеля или при выходе из строя одной из станций, станции по обе стороны места разрыва автоматически переключают поток данных на резервное кольцо
(Secondary Ring) в направлении, противоположном направлению передачи по основному кольцу. Кроме того можно дополнительно повысить надежность, если использовать оптический обходной переключатель OBS (Optical Bypass Switch). Целостность кольца сохраняется
при выходе из строя станции с двойным подключением. Неисправная
станция отключается, а резервное кольцо не задействуется.
При использовании оптоволоконных каналов связи сети FDDI
имеют следующие преимущества по сравнению с другими сетями.
Во-первых, большое расстояние между узлами сети. Станции могут
находиться на расстоянии до 2 км друг от друга, общая длина кольца может достигать 200 км, число станций – до 1000. Применение
одномодового кабеля и лазерных источников излучения позволяет
увеличить расстояние между станциями до 50 км. Во-вторых, эти
сети мало чувствительны к электромагнитным помехам и обеспечивают большую защиту информации, так как оптоволоконный
кабель имеет слабое излучение и перехват информации весьма затруднен. Кроме того за счет гальванической развязки наблюдается
большая защищенность оборудования, чем в других сетях.
17
Стандарт FDDI имеет следующие подуровни, соответствующие
уровням 1 и 2 модели МОС [3].
Подуровень физического кодирования, зависящий от среды передачи (Physical Medium Dependent-PMD), который регламентирует:
– характеристики оптоволоконного кабеля для передачи данных;
– типы коннекторов;
– мощность передатчика и т. д.
Подуровень физического уровня PHY (Physical Sublevel), который регламентирует:
– способы кодирования и декодирования;
– систему синхронизации;
– набор управляющих символов.
Подуровень управления доступом к среде УДС (Media Access
Control – MAC), который регламентирует следующие процессы:
– управление маркером;
– формирование кадров;
– адресацию;
– обнаружение ошибок;
– восстановление после ошибок;
– распределение полосы пропускания между узлами сети.
Подуровень управления станцией (Station Management) действует на всех перечисленных подуровнях стандарта и описывает:
– управление станциями и концентраторами;
– процессы инициализации и поддержания соединений между
узлами;
– алгоритмы обнаружения ошибок;
– алгоритмы обработки аварийных ситуаций.
В качестве сред передачи в стандарте FDDI используются:
– оптоволоконный кабель с коннекторами типа MIC (Media
Interface Connector), регламентируемый стандартом PMD;
– экранированная витая пара проводов (STP IBM Type 1) с коннекторами типа ДВ9, регламентируемая стандартом CDDI;
– неэкранированная витая пара проводов категории 5 (UTP
Level 5) с коннекторами RJ-44.
В стандарте используется схема кодирования 4В/5В на тактовой
частоте 125 МГц с инвертированием сигнала без возврата к нулю,
когда 4 бита преобразуются в последовательность в 5 бит по специальной таблице.
Формат кадров сети: кадр данных КД и кадр маркера КМ представлен на рис. 2.4.
18
PA
SD
FC
DA
A
PA
SD
FC
ED
SA
INFO
FCD
D
ED
FC
Рис. 2.4. Формат кадра данных и кадра маркера
При этом приняты обозначения:
PA – преамбула;
SD – стартовый разделитель ( начальный ограничитель – НО);
FC – управляющее поле кадра (указатель кадра – УК);
DA – адрес получателя(АО);
SA – адрес отправителя (АО);
FCS – контрольная последовательность кадра (КПК);
ED – конечный разделитель (конечный ограничитель – КО);
FS – статус кадра (состояние кадра – СК ).
Формат кадров подобен кадрам сетей Token Ring, но имеются
некоторые отличия.
Формат поля УК имеет вид CLZZZZZZ, где
C – бит класса кадра (0 – асинхронный, 1 – синхронный);
L – бит длины адреса (0 – 16-битный,1 – 48-битный);
FF – биты формата;
ZZZZZZ – биты управления.
Таким образом, поле УК определяет тип кадра, длину полей
адресов получателя и отправителя и управляющие функции кадра.
Подуровень МАС сети FDDI обеспечивает два вида сервиса:
асинхронную и синхронную передачу информации. Синхронная
передача обеспечивает гарантированное время доставки информации получателю и используется при наличии жестких требований
к времени доставки информации. Асинхронная передача применяется при отсутствии жестких ограничений на время доставки информации.
Формат поля FS имеет вид
EAC…T,
где A-бит “адрес распознан”,
C-бит “кадр скопирован”,
E-бит “ошибка обнаружена”.
Поле FS может заканчиваться символом T.
19
Первые три позиции обязательны для каждого кадра данных,
что касается конечного ограничителя, то он состоит из двух символов для кадра маркера и одного символа T для кадра данных.
К основным типам устройств сети относятся следующие устройства (рис. 2.5):
Концентратор с двойным подключением к магистрали (Dual
Attachment Concentrator – DAS). Он реализует процесс восстановления кольца при нарушении целостности основного кольца путем
подключения резервного кольца.
Концентратор с одиночным подключением (Single Attachment
Concentrator – SAC). Он не подключается к основному кольцу, но
всегда подключается к другому концентратору сети (на рис. 2.5 он
подключен к DAC).
Резервное кольцо
Основное кольцо
A
A
B
DAS -концентратор
M
DAS -концентратор
M
M
S
B
M
M
M
S
S
Конечные станции
S
Конечные станции
S
SAS - концентратор
M
Конечные станции
M
M
S
S
SAS
Рис. 2.5. Пример сети FDDI
20
Станция с двойным подключением к магистрали (Dual
Attachment Station – DAS). Она может участвовать в процессе восстановления после ошибок. На рис. 2.5 эта станция не показана.
Станция с одиночным подключением (Single Attachment
Station – SAS), которая подключается к сети через концентратор.
В стандарте FDDI определены следующие типы портов (рис. 2.5).
Порт A является входным для основного кольца (Primary In)
и выходным для резервного кольца (Secondary Out), т. е. это порт
типа PI/SO. Порт B является выходным для основного кольца
(Primary Out) и входным для резервного кольца (Secondary Out),
т. е. это порт типа PO/SI. Порт M – порт типа «Master»(ведущий).
Порт S-порт типа «Slave» (ведомый).
Устройства с двойным подключением должны иметь порты A
и B, концентраторы с двойным подключением должны содержать
также порты M, концентраторы с одиночным подключением должны иметь порты M и S, станции с одиночным подключением имеют
порты S.
Функционирование сети FDDI похоже на функционирование
сети Token Ring стандарта 802.5, но имеется ряд отличий. Рассмотрим их.
Подуровень УДС обеспечивает два вида сервиса: синхронную и
асинхронную передачу. В свою очередь при асинхронной передаче
обеспечивается два вида пропускной способности среды: общий и
диалоговый. При общем распределении пропускной способности
среды станция, получив право на передачу, передает один или несколько кадров и затем посылает кадр маркера далее другим станциям. В диалоговом режиме станции, ведущие диалог, монополизируют среду передачи, исключая доступ к ней со стороны других
станций.
В сети FDDI применяется более эффективный по производительности по сравнению с сетями Token Ring метод передачи данных,
который называется ранним освобождением маркера – ETR (Early
Token Release). При этом методе станция, передав данные в течение времени ТУМ (тайм-аут удержания маркера), передает маркер
дальше, не дожидаясь прихода к ней кадров данных, переданных
ранее.
Итак, сеть FDDI обладает широкими функциональными возможностями и повышенной помехоустойчивостью.
21
3. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
3.1. Основные особенности технологии ATM
Асинхронный режим передачи ATM (Asynchronous Transfer
Mode) – самая cовершенная в настоящее время технология передачи и коммутации в широкополосных цифровых сетях с интеграцией служб (ЦСИС).Она включает в себя три технологии: цифровую
передачу сигналов, коммутацию коротких пакетов (ячеек) длиной
в 53 байта (хотя последние реализации допускают режим передачи
и длинными пакетами) и асинхронное мультиплексирование.
Данная технология является разновидностью коммутации пакетов, в которой используются пакеты постоянной длины, называемые ячейками. Обработка ячеек в узлах коммутации ограничивается лишь анализом заголовков ячеек для маршрутизации
в соответствующие очереди. В сетях ATM не реализуются функции
обработки ошибок, которые решаются на уровне прикладных задач
пользователя или устройствами доступа [1].
Благодаря своим особенностям ATM может интегрировать различные виды передаваемой информации, такие как речь, подвижные или неподвижные изображения и данные. ATM может применяться как в широкополосных сетях общего пользования, так и
в частных сетях, а также в локальных сетях (ЛС).
Почему возникли интегрированные сети и технология ATM?
Во-первых, логическая связь между разнородными потоками данных, речи, неподвижных и видеоизображений в распределенных
интерактивных системах мультимедиа и их совместная обработка делают целесообразным использование общей сети. Во-вторых,
передача должна идти как с постоянной, так и с переменной скоростью, с малой задержкой и с малым ее колебанием. Высокая
скорость и малые задержки требуются для передачи больших объемов информации, например, изображений в режиме диалога, малые колебания задержки необходимы для высококачественного
воспроизведения звуков, речи и видеоизображений в реальном
времени.
В-третьих, пропускная способность линий должна расходоваться экономно и предоставляться по требованию.
Всему этому удовлетворяют ATM-сети.
Cети с коммутацией каналов, широко используемые в системах
связи, например, телефонной, весьма чувствительны к задержкам.
22
Для передачи данных предпочтительно использовать сети коммутации пакетов.
Данные малочувствительны к задержкам и ее колебаниям, но
требуют высокой достоверности передачи (допустимая вероятность
возникновения ошибки (10-6–10-9).
В сетях с коммутацией каналов соединение получает фиксированную часть пропускной способности линий связи на весь сеанс
связи. В узлах коммутации накопление и обработка не производятся, сигнал непосредственно передается из одной линии в другую.
При этом обеспечивается малое время доставки сообщения.
В сетях с коммутацией пакетов соединению в узле коммутации выделяется вся пропускная способность выходной линии на
все время передачи пакета, а затем узел может перейти к передаче пакета другого соединения. При этом минимизируется время простоя линии, но имеется неопределенность в работе сети,
так как пакеты могут иметь различную длину и поступать в узел
коммутации неритмично. При совместной передаче речи, видеотрафика и трафика данных длинные пакеты могут вызвать недопустимо большие колебания задержки при передаче речи и видеотрафика.
Сети ATM позволяют осуществлять статистическое мультиплексирование прерывистых потоков, при котором пиковая скорость
выходного потока меньше суммы пиковых скоростей входных потоков. Это возможно потому, что имеется возможность накопления
пакетов в узлах коммутации (буферизация). Но при этом возникает
вероятность переполнения буфера и потери пакетов.
Технология ATM позволяет сочетать быстродействие сети с коммутацией каналов с гибкостью сети с коммутацией пакетов. Обычно за соединением закрепляют часть ресурсов сети, т. е. объем
буферной памяти в узлах коммутации и долю пропускной способности линии. Обычно принимают, что пакеты, передаваемые по одному соединению в одном направлении, должны следовать одним и
тем же путем. Если за соединением, имеющим заданный маршрут
передачи (виртуальный канал), зарезервирована память в узлах
коммутации и временные интервалы для передачи пакетов этими
узлами, то соединение превращается в аналог канала в сети с коммутацией каналов.
Небольшая длина пакетов (53 байта) выбрана компромиссно.
Для передачи речи и видеоизображений выгодно применять короткие пакеты. Данные целесообразно передавать длинными пакетами. Пакеты (ячейки) длиной в 53 байта позволяют точно ре23
гулировать время передачи. Поэтому пропускная способность,
выделяемая соединению и измеряемая числом ячеек, проходящих
в единицу времени, может принимать любые значения в определенном интервале времени. В сети с коммутацией каналов пропускная способность равна 64 Кбит/с×n, где n = 1,…,30 [1].
Технология ATM позволяет изменять пропускную способность
даже во время передачи и выделять соединению столько ресурсов,
сколько ему необходимо в данный момент. Это избавляет абонента
от необходимости заказывать избыточную (фиксированную) пропускную способность, т. е. пропускная способность предоставляется оперативно по требованию. Допускается также установление
соединения без резервирования ресурсов, а поэтому без гарантии
качества.
Cети ATM применяют также метод быстрой коммутации пакетов (fast packet switching) для достижения высокой производительности коммутаторов. Для этого метода характерна реализация основных функций узла коммутации аппаратным способом
и применение параллельной обработки. Для увеличения числа
портов и производительности коммутатора достаточно увеличить число процессоров в нем. При использовании этого метода
коммутации задержка в узлах территориально-распределенной
сети становится значительно меньшей, чем задержка распространения в линиях, что наблюдается в сетях с коммутацией каналов. Поэтому производительность сети приближается к физическому пределу.
Итак, ATM-сети имеют следующие достоинства:
– применимы для мультиплексирования речи, графики, видеоизображений и данных;
– пригодны как для сетей общего пользования, так и частных
сетей;
– применяются как в территориально-распределенных сетях,
так и в локальных сетях с линиями связи типа экранированная и
неэкранированная витая пара, коаксиальным, волоконно-оптическим кабелем и с беспроводными каналами со скоростью передачи
от 25 до 622 Мбит/с;
– позволяют регулировать пропускную способность линий, отведенных соединению;
– обладают масштабируемостью, т. е. способностью наращивания инфраструктуры и согласования работы разных сетей: от узкополосных (до 2 Мбит/с) до широкополосных (25–622 Мбит/с и
более).
24
3.2. Модель протокола B-ISDN
Широкополосные цифровые сети интегрального сервиса (Ш-ЦСИС) или B-ISDN (Broadband Integrated Service Digital
Network) описывают функции ATM с помощью многоуровневой
модели, в которой три нижних уровня определены как физический уровень, уровень ATM и уровень адаптации ATM (AAL-ATM
Adaptation Layer).Эти уровни реализуются в основном аппаратно.
Протокольная модель Ш-ЦСИС [3] приведена на рис 3.1.
Физический уровень определяет интерфейс со средой передачи
включая физический интерфейс, скорости передачи и способы преобразования ATM-пакетов в сигнал на линии связи.
Передача пакетов ATM может осуществляться через различные
интерфейсы:
– SONET (Syncronous Optical Network) – передача через синхронную оптоволоконную сеть;
Общие функции
административного управления
Функции административного
управления по уровням
Функции
Функции
управления
Функции и
протоколы
верхних уровней
пользователя
Функции и
протоколы
верхних уровней
Уровень адаптации АТМ
Уровень АТМ
Физический уровень
Рис. 3.1. Модель протокола B-ISDN
25
– SDH (Syncronous Digital Hierarchy) – передача через сеть синхронной цифровой иерархии;
– T1/E1 – пересылка данных в формате DS1 со скоростью 1,5444
Мбит/c;
– T3/E3 – пересылка данных в формате DS3 со скоростью 44,210
Мбит/c;
– модемы со скоростью 9,6 Кбит/c и выше.
На физическом уровне имеется два подуровня.
Подуровень PMD (Physical Medium Dependent) зависит от физического носителя и связан с такими характеристиками физического уровня, как скорость передачи, тип физического соединения
и т. д.
Подуровень TC (Transmission Convergence), т. е. подуровень сходимости (конвергенции) передачи не зависит от физического носителя и включает в себя извлечение информации. На этом уровне
производится генерация (при передаче) и проверка (при приеме)
кодов коррекции ошибок в заголовке ATM-пакетов. Кроме того, на
этом уровне производится извлечение ATM-пакетов из поступающего битового потока и обработка пустых пакетов.
Уровень ATM
На уровне ATM производится работа с ATM-пакетами. Формат
ATM-пакетов представлен на рис. 3.2. Пакет, часто называемый
ячейкой, имеет длину 53 байта и содержит два поля:
– заголовок (5 байт), предназначенный для обеспечения распознавания пакетов, принадлежащих к одному и тому же соединению,
и для их маршрутизации;
– информационное поле, содержащее данные, которые необходимо передать (данные пользователя или служебное сообщение).
Заголовок ATM-пакетов может быть двух видов: UNI и NNI.
Заголовок UNI (User to Network Interface – интерфейс
пользователь-сеть) содержит следующие поля.
Поле управления общим потоком GFC (General Flow Control)
применяется для регулирования приоритетов и борьбы за доступ
между несколькими терминалами. В локальных ATM-сетях это
поле используется для управления потоком и предотвращения перегрузки.
Поле VPI (Virtual Path Identifier – идентификатор виртуального
пути) имеет длину 8 битов.
Поле VCI (Virtual Channel Identifier – идентификатор виртуального канала) имеет длину 16 битов.
26
8
Заголовок
5 байт
7
6
5
4
3
GFC
VPI
VPI
VCI
Информационное
поле 48 байт
2 1
Заголовок
UNI
VCI
VCI
PTI
CLP
HEC
VPI
Заголовок
NNI
VPI
VCI
VCI
CLP
VCI
PTI
HEC
Рис. 3.2. Структура АТМ – пакета
Поле (Payload Type Identifier – идентификатор типа полезной
нагрузки) длиной 3 бита используется для описания типа полезной
нагрузки. В табл. 3.1 приведено кодирование этих трех битов.
Первый бит указывает на тип данных: данные пользователя
или служебное сетевое сообщение. В случае данных пользователя
второй бит используется как идентификатор перегрузки, а третий
бит – тип блока данных. Эти два бита интерпретируются верхними
уровнями. В случае сетевого сообщения второй бит указывает тип
обслуживания, а третий бит не интерпретируется.
Поле CLP (Cell Loss Priority – приоритет потери ячейки) длиной
1 бит используется механизмом защиты от перегрузки. Этот бит
управляется источником, он определяет относительную важность
данных, содержащихся в ATM-пакете. Значение бита, равное 1, означает, что при перегрузке ячейку можно откинуть в первую очередь.
27
Таблица 3.1
Кодирование идентификатора полезной нагрузки
Кодовая
комбинация
Тип потока
Идентификатор перегрузки
Тип блока
данных
000
001
010
011
0-Пользователь
0-Пользователь
0-Пользователь
0-Пользователь
0-нет перегрузки
0-нет перегрузки
1-есть перегрузка
1-есть перегрузка
0-тип 0 блока
1-тип 1 блока
0-тип 0 блока
1-тип 1 блока
100
101
110
1-сеть
1-сеть
1-сеть
111
1-сеть
0-обслуживание (сегмент за сегментом)
0-обслуживание ( из конца в конец)
1-административное управление сетевыми ресурсами
1-резерв
Поле HEC (Header Error Control – контроль ошибок заголовка),
длиной в один байт, служит для обнаружения ошибок и коррекции
простых ошибок в заголовке.
Заголовок UNI используется для широкополосного абонентского доступа ячейки в сеть.
Заголовок NNI (Network Node Interface – интерфейс узел-сеть
или как его часто расшифровывают Network -to Network Interface –
интерфейс (сеть-сеть) отличается от заголовка UNI тем, что отсутствует поле GFC, а поле VPI занимает 1 бит. Заголовок NNI
используется для определения интерфейса между узлами сети
(коммутаторами) или между сетями. Этот же заголовок используется для интерфейса между частной ATM-сетью и публичной ATMсетью, предоставляющей ATM-услуги.
Основная функция заголовков UNI и NNI – это задание виртуальных путей и виртуальных каналов для маршрутизации и коммутации ATM-пакетов.VPI идентифицирует путь или маршрут,
который используется ATM-пакетом, а VCI идентифицирует номер
соединения в выбранном пути. VPI и VCI имеют локальное значение и транслируются в каждом коммутаторе сети.
Уровень адаптации
Уровень адаптации (AAL – ATM Adaptation Layer) предназначен прежде всего для объединения данных от источников с различающимися характеристиками. Этот уровень принимает данные от
28
источников и прикладных средств и преобразует их в 48-байтовые
сегменты, которые затем размещаются в информационном поле
ATM-пакетов.
Данный уровень предусматривает несколько классов обслуживания, различающиеся тремя основными характеристиками:
– скоростью передачи битов (постоянная или переменная);
– режимом соединения (с установлением соединения или без
установления соединения);
– требованием к синхронности (синхронная или асинхронная
передача).
В настоящее время выделены 4 класса обслуживания:
AAL1 – предназначен для передачи информации с постоянной
скоростью, с требованием синхронной передачи (строгая взаимосвязь между тактовыми частотами передачи и приема, что необходимо, например, для передачи аудио– и видеоинформации) и
с установлением соединения.
AAL2 – предназначен для передачи с переменной скоростью битов с требованием синхронности, с установлением соединения, что
требуется, например, при передаче видеоинформации с переменной скоростью.
AAL3/4 – ориентирован для передачи с переменной скоростью без
требования синхронности и с установлением или без установления соединения, что подходит для связи ATM-сетей с локальными сетями.
AAL5 – предназначен для передачи с переменной скоростью без
требования синхронности с установлением соединения, что необходимо для связи с сетями X.25 и Frame Relay.
Уровень адаптации состоит из двух подуровней.
Подуровень конвергенции (сведения) SC (Convergence Sublevel)
принимает данные от различных прикладных средств и упаковывает их в пакеты различной длины.
Подуровень сегментации и сборки SAR (Segmentation and
Reassambly Sublevel) принимает пакеты от подуровня SC и создает
из них 48-байтовые пакеты, которые помещаются в информационное поле ATM-ячеек.
3.3. Способы маршрутизации ячеек в ATM-сетях
Маршрутизация ячейки производится коммуникационными
блоками, которые связывают ее идентификатор с местом назначения. В каждом коммуникационном блоке существует таблица
маршрутизации (рис. 3.3).
29
Данные а
Данные b
Узел коммутации
1
3
2
Данные a
Данные b
4
Таблица маршрутизации для узла коммутации
Входной порт
1
2
Выходной порт
3
3
Рис. 3.3. Узел коммутации и таблица маршрутизации
Логический идентификатор имеет только местное (локальное)
значение и реализован в двух полях:
– групповой идентификатор VPI – идентификатор виртуального
пути (VP) занимает 8 бит в заголовке ячейки UNI и 12 бит в заголовке ячейки NNI; при этом каждый виртуальный путь может содержать множество виртуальных каналов;
– идентификатор элемента в группе VCI – идентификатор виртуального канала (VC) занимает 16 бит.
Пара, образованная виртуальным путем (VP) и виртуальным каналом (VC), эквивалентна виртуальному каналу в сети коммутации
пакетов.
Маршрут образуется с помощью множества виртуальных путей
и виртуальных каналов. Каждое соединение является каскадным
соединением виртуальных путей и каналов. Маршрутизация ячеек
в ATM-сетях представлена на рис. 3.4.
При этом используются два типа коммуникационных узлов:
– кроссовые коммутаторы для коммутации виртуальных путей,
использующие только идентификатор виртуального пути для направления пакетов данных по маршруту и управляемые средствами административного управления сети;
– коммуникационные блоки виртуальных каналов, учитывающие оба идентификатора VPI и VCI.
30
Коммуникационный блок
VCIn
VCIm
Коммуникационный блок
VCIm
VCIp
Кроссовый коммутатор
VPIa
VCIn
VPIb
VPIc
VCIm
VPId
VCIp
Рис. 3.4. Маршрутизация ячеек в коммуникационных узлах
Кроссовый коммутатор VP используется для маршрутизации
всех виртуальных каналов, относящихся к одному виртуальному
пути. Кроссовые коммутаторы применяются для конфигурации
маршрута из сетей арендованных линий для создания альтернативных (резервных) маршрутов и организации взаимосвязи между
узлами коммутации в режиме передачи информации без установления соединения.
Сети АТМ используют два типа соединений:
– постоянные виртуальные соединения, создаваемые на основании соглашения между оператором сети и пользователем;
– коммутируемые виртуальные соединения, создаваемые по
протоколу сигнализации между оборудованием пользователя и
блоком доступа к сети.
Рассмотрим более подробно коммуникационные устройства сетей. Они выполняют следующие функции:
– маршрутизацию ячеек от входных портов к соответствующим
выходным портам, что создает в конечном счете маршрут;
31
– временное хранение ячеек;
– анализ и модификацию заголовка ячеек (входные значения
VPI/VCI преобразуются в выходные VPI/VCI) и т. д.
Коммутационные устройства ATM-сетей имеют входные и выходные звенья, входные и выходные адаптеры и коммуникационную структуру, присоединяющую соответствующий входной
адаптер к соответствующему выходному адаптеру на основании
анализа заголовков и их перевода в соответствии с таблицей соединений (рис. 3.5). Заголовок обычно обрабатывается во входных адаптерах, маршрутизация выполняется коммуникационной
структурой, а временное хранение информационных ячеек обычно
производится в выходных и/или входных адаптерах. На рис. 3.5
показано, как во входном адаптере 1 заголовок a ячейки, поступающей по входному звену i1, т. е. a(i1) с помощью таблицы соединений преобразуется в заголовок b ячейки, которая затем поступает
в выходной адаптер 2, т. е. b(o3).
Обычно соединение между входным и выходным портом, определяющее маршрут через коммуникационную структуру, должно
быть предварительно известно, и информация о нем хранится в таТаблица соединений
b (O3)
a (i1)
Перевод
заголовков
Анализ
заголовков
1
i1
1
a
O1
b
b
3
O3
Мультиплексирование
и очереди
iN
N
N
Входные
звенья
Входные
адапторы
Коммуникационная
структура
Выходные
адапторы
ON
Выходные
звенья
Рис. 3.5. Коммуникационные устройства АТМ и их функции
32
блице соединений. Эта информация извлекается либо из маркера,
который передается заранее, и устанавливает путь для передачи
информационных ячеек, относящихся к данному соединению (непрямая маршрутизация), либо извлекается из специальной метки,
которая добавляется спереди к передаваемым информационным
ячейкам, обеспечивая им возможность направлять самих себя от
соответствующего входного порта к соответствующему выходному
порту (самомаршрутизация).
Поскольку услуги ATM-сети ориентированы на соединения,
то обычно режим маршрутизации является непрямым. Путь,
соответствующий устанавливаемому соединению, должен быть
в явном виде записан в каждом коммуникационном узле до начала передачи информационных ячеек. Этот путь устанавливается маркером. На рис. 3.6 показано, как проходящий маркер
произвел коммутацию входного звена 1 к выходному звену О3.
Заголовок каждой поступающей ячейки по входному звену 1,
т. е. a(i1), содержащий указатель VPI/VCI и имеющий только локальное значение, преобразуется в заголовок b, также содержащий указатель VPI/VCI, содержимое которого устанавливается
на основе анализа вида информации (данные, речь, видео), приоритетности и т. д.
Таблица соединений
a(i1)
b(O3)
O3
Команда
коммутации
i1
a
Входное
звено
b
b
Входной
адаптер
O3
Выходное
звено
Выходной
адаптер
Коммуникационная
структура
Рис. 3.6. Пример непрямой адресации в коммуникационном
устройстве АТМ
33
Таблица соединений
a(i1)
b
O3
b
i
Заголовок для
самомаршрутизации
i1
a+I
Входное
звено
b+i
b+i
Входной
адаптер
O3
Выходной
адаптер
Выходное
звено
Коммуникационная структура
Рис. 3.7. Пример самомаршрутизации в коммуникационном
устройстве сети АТМ
Пример самомаршрутизации в коммуникационном устройстве
сети ATM приведен на рис. 3.7.
Метка i содержит перечень данного и последующего коммуникационных узлов и их выходных портов. Поскольку метка i для
данного коммуникационного устройства содержит указание выходного звена (O3), с помощью метки производится коммутация
i1>O3 при ее приходе. Использованная информация удаляется из
содержимого метки при прохождении ячейки через коммуникационное устройство. Заголовки a и b относятся здесь к информационной ячейке, проходящей через данное коммуникационное устройство.
3.4. Управление в ATM-сетях
Выбор виртуальных путей и виртуальных каналов реализуется на основе соглашения между сетевым администратором и
34
пользователем относительно качества сервиса (Q0S) и параметров трафика. В свою очередь, параметры трафика зависят от
класса сервиса и могут задавать такие показатели, как усредненную скорость пакета (Submiddle Cell Rate – SCR), минимальную
усредненную скорость пакета (Submiddle Cell Rate – SCR), минимальную скорость пакета (Minimum Cell Rate – MCR), пиковую скорость пакета (Peak Cell Rate – PCR) и/или устойчивость
к перегрузке (Burst Tolerance – BT). ATM-коммутатор должен
обеспечивать эти параметры на основе выбора соответствующих
виртуальных путей и каналов и осуществлять буферизацию пакетов (ячеек), чтобы противодействовать резким изменениям
(взрывам) трафика. Для информации, чувствительной к задержкам, коммутатор должен обеспечить гарантированную пропускную способность и допустимый уровень задержек, а также их колебаний.
ATM Forum разработал принципы формирования трафика перед его поступлением в сеть и принципы регулирования трафика
внутри сети ATM-коммутаторов при его прохождении.
Алгоритм управления доступа к соединению (формирование
трафика) должен гарантировать, чтобы трафик удовлетворял соглашению о качестве сервиса.
ATM Forum определил два метода управления переполнением
трафика при его прохождении по сети: метод «открытой петли»
(Open loop) и метод «закрытой петли» (Closed loop).
Термин «открытая петля» означает, что все устройства сети, потребляющие ресурсы, во время передачи ячеек не имеют информации о состоянии сети. Тем не менее этот метод предусматривает
правило пометки ячеек на отбрасывание при переполнении сети,
т. е. помещения их для временного хранения в буферную память.
Недостатком этого метода является то, что при отбрасывании ячеек, для передачи которых уже использовались сетевые ресурсы, будет сделан запрос на повторную передачу всего передаваемого сообщения, что приведет к еще большему переполнению трафика.
Метод «закрытой петли» контролирует переполнение трафика
при входе в сеть. Перед отправлением сообщения анализируется состояние узла назначения (получателя) на основании информации,
поступающей из данного узла. Отправка очередного сообщения может быть задержана, если наблюдается переполнение трафика.
При использовании ATM-сетей предполагается, что трафик любого типа можно передавать с использованием одного из четырех
базовых классов сервиса:
35
– постоянная скорость передачи (Constant Bit Rate – CBR) используется для передачи равномерного несжимаемого голосового
потока (сервис AAL1);
– переменная скорость передачи (Variable Bit Rate – VBR) используется для передачи неравномерного возникающего, критичного к задержкам трафика, например, видео со сжатием (сервис
AAL2);
– доступная скорость передачи (Available Bit Rate – ABR) используется для передачи неравномерного трафика, как правило, от
локальных сетей (сервис AAL3/4);
– неопределенная скорость передачи (Unspecified Bit Rate –
UBR) предназначена для передачи всех остальных типов трафика
(сервис AAL5).
ATM-коммутатор распределяет свои ресурсы, обеспечивая трафику перечисленные классы сервиса. Если же трафик выходит изпод контроля, то соответствующие ячейки либо отбрасываются немедленно (попадают в буфер), либо помечаются как разрешенные
для отбрасывания.
В локальных сетях ATM режимы CBR и VBR используются
ограниченно, а в глобальных сетях эти режимы используются часто. Класс VBR поддерживается небольшим числом типов коммутаторов, CBR реализуется многими коммутаторами. При работе
в режиме CBR требуется следить только за пиковыми скоростями
передачи ячеек, при использовании VBR коммутатор устанавливает как пиковые, так и средние скорости передачи ячеек, задержки
передачи и учитывает всплески интенсивности потока.
Режим UBR достаточно прост в реализации. К трафику не предъявляются какие-либо жесткие требования. Поведение трафика не
контролируется, что крайне нежелательно. Для улучшения характеристик вводится механизм управления трафиком, например,
ранний сброс пакетов (Early Packet Discard – EPD) и сброс остатков
пакета (Partial Packet Discard – PPD). Данный тип сервиса называется UBR+. Кроме того, используется алгоритм своевременного
обнаружения перегрузок (Random Early Detection).
Существуют два типа управления в ATM-сетях: превентивный и
адаптивный.
Превентивный контроль основан на соглашении о трафике. Источник трафика «вписывается» в рамки качества обслуживания,
оговоренного заранее с помощью механизмов контроля, таких
как Leaky Basket (метод протекающего ведра) и Virtual Scheduling
(виртуальный список). Этот тип контроля применяется для режи36
мов CBR и UBR, где характеристики трафика известны, либо могут
быть прогнозированы.
Адаптивный контроль основан на использовании свободной полосы пропускания. Он реализуется для ABR и UBR, где нет жестких требований к качеству обслуживания. Адаптивный контроль
осуществляется с помощью процедуры обратной связи между источником информации и коммутатором ATM. Обратная связь может быть явной, когда для передачи информации о перегрузках
применяются специальные ячейки, как в режиме ABR, или скрытой, когда поведение источника информации изменяется в соответствии с изменением состояния сети.
Алгоритм RED в ATM-сетях использует скрытую обратную связь
для уведомления о перегрузках за счет выборочного уничтожения
ячеек от источника информации. Алгоритм RED уничтожает часть
поступающих в сеть ячеек. В сетях ATM применяются две модификации алгоритма: C-RED (Cell RED) работает с каждой ячейкой;
P-RED (Packet RED) работает с группой ячеек, образующих пакет.
Перечисленные виды контроля трафика приведены в табл. 3.2.
Рассмотрим приведенные методы контроля переполнения более подробно. Правила допуска вызова в сеть связаны с учетом
влияния приоритетов на качество обслуживания и требуют знания состояния звена передачи, т. е. знания числа принятых к обслуживанию вызовов различного типа. Решение о принятии к обслуживанию следующего вызова может быть осуществлено, если
вероятность потери информационных ячеек вызовов, уже находящихся на обслуживании, будет в установленных пределах, например, 10-9–10-10.
Таблица 3.2
Виды контроля трафика
Методы контроля
трафика в сетях ATM
Превентивный
Сервис
Тип обратной связи
Методы контроля
CBR,UBR
–
Leaky Busket
Virtual
Scheduling
Адаптивный
ABR
Явная
–
UBR
Скрытая
UBR+ (EPD,PPD)
RED (C_RED,P-RED)
37
4. ТЕХНОЛОГИЯ СИНХРОННОЙ ЦИФРОВОЙ ИЕРАРХИИ
4.1. Аппаратура и стек протоколов
Целью создания данной технологии является необходимость передачи трафика существующих цифровых каналов как американских и японских T1-T3, так и европейских E1-E3 с помощью высокоскоростной магистральной сети на основе ВОЛС.
Международный стандарт SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
и стандарт SONET (Synchronous Optical Nets) обеспечивают:
– аппаратура и стеки SDH и SONET совместимы;
– могут мультиплексировать входные потоки любого стандарта
PDH.
Различаются технологии SONET и SDH лишь в терминологии и
в начальной скорости.
В стандарте SDH уровни скоростей и форматы кадров называются STM-n (Synchronous Transport Module level n), а в стандарте
SONET они называются STS-n (Synchronous Transport Signal level
n) при передаче данных электрическим сигналом, или OC-n (Optical
Carrier level n) – при передаче данных с помощью света.
Начальная скорость иерархии SDH определена в 155,520 Мбит/с,
чтобы сохранялась преемственность с технологией PDH. При этом
канал SDH может передавать данные уровня DS-4 (скорость 139,264
Мбит/с технологии PDH).
Любая скорость технологии SONET/SDH кратна скорости
STS-1 (51, 840 Мбит/с). Здесь некоторая избыточность скорости
155,520 Мбит/с для передачи данных объясняется большими расходами на служебные заголовки кадров SONET/SDH.
Кадры данных технологий SONET/SDH называются циклами.
Они совпадают, начиная с уровня STS-3/STM-1. Кадры с большей
избыточностью передают большее количество служебной информации для:
– обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков
данных разных скоростей, позволяющих вставлять и извлекать
пользовательскую информацию разного уровня скорости;
– обеспечения отказоустойчивости сети;
– поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;
– синхронизации кадров в случае небольшого отклонения двух
сопрягаемых сетей [5].
38
STS-1
T1
T
STS-m
E1
T3
RG
RG
E3
Рис. 4.1. Структурные элементы сети SONET
Основные структурные элементы сети SONET/SDH показаны на
рис. 4.1.
Терминальные устройства (Terminal, T) принимают пользовательские данные от низкоскоростных каналов типа T1/E1 или T3/
E3 и переводят их в кадры STS-n.
Мультиплексоры принимают данные от терминальных
устройств и мультиплексируют потоки данных разных скоростей
STS-n в кадры более высокой иерархии STS-m. Мультиплексоры
«ввода-вывода» (ADD – Add/Drop Multiplexor) могут принимать и
передавать транзитом поток определённой скорости пользовательских данных, принимаемых с низкоскоростных входов, и вставлять или удалять эти данные без полного демультиплексирования,
что является большим преимуществом. Регенераторы сигналов
служат для восстановления формы и мощности сигналов. Цифровые кросс-коннекторы (DCC – Digital Cross-Connector), которые на
рис. 4.1 не показаны, иногда называемые аппаратурой оперативного переключения (АОП), предназначены для мультиплексирования и постоянной коммутации высокоскоростных потоков STS-n
различного уровня между собой. Эти кросс-коннекторы являются
разновидностью мультиплексора.
Стек протоколов сети SONET/SDH, приведенный на рис. 4.2,
имеет свою терминологию. Он состоит из протоколов четырёх
уровней:
39
Данные
Данные
Тракт
Линия
Кадр
Секция
Свет
Физический
уровень
Терминал (Т)
Регенератор
Мультиплексор
Терминал (Т)
Рис. 4.2. Стек протоколов сети SONET/SDH
Физический уровень, который в стандарте называется фотонным (photonic), имеет дело с кодированием бит с помощью модуляции света. Для кодирования применяется метод NRZ (Non Return
to Zero).
Уровень секции (section) предназначен для поддержания физической целостности сети. При этом секцией называется каждый
непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля (ВОК), который соединяет пару устройств SONET/SDH между собой, например, мультиплексор и регенератор. Протокол секции имеет дело
с кадрами. На основе служебной информации он может проводить
тестирование секции и поддерживать операции административного контроля. Заголовок секции всегда начинается с двух байт
11110110.00110100, которые являются флагами. Следующий байт
определяет уровень кадра STS-1, STS-2 и т. д. За каждым типом кадра закреплён определенный формат.
Уровень линии (line) отвечает за передачу данных между двумя мультиплексорами. Протокол этого уровня работает с кадрами
разных уровней STS-n для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования и вставки и удаления
пользовательских данных. Таким образом, линией называется поток кадров одного уровня между двумя мультиплексорами. Протокол линии проводит также операции реконфигурации в случае отказа оптоволокна, порта или соседнего мультиплексора.
Уровень тракта (path – путь) отвечает за доставку данных между
двумя конечными пользователями сети. Тракт или путь – это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол
тракта должен принимать данные, поступающие в пользователь40
ском формате, например, T1/E1 и преобразовать их в синхронные
кадры STS-n/STM-m.
Регенераторы работают с протоколами двух нижних уровней и
отвечают за качество сигнала и поддержание операций тестирования и управления сетью.
Мультиплексоры работают с протоколами трёх нижних уровней
и выполняют функцию мультиплексирования кадров STS-n разных уровней.
Терминалы и мультиплексоры «ввода-вывода» выполняют
функции трёх нижних уровней.
4.2. Форматы кадров сетей SONET/SDH
Кадры технологии обычно представляются в виде матрицы, содержащей n строк и m столбцов, что хорошо представляет структуру кадра с подкадрами. Формат кадра STS-1 представлен на рис 4.3.
90 байт
3 байта
Заголовок
секции
(3 строки)
Адм. указатель
ьььь
Заголовок
линии (5строк)
Заголовок пути 9´1 байт
Рис. 4.3. Формат кадра STS-1
41
Подкадры называются виртуальными контейнерами (VC– Virtual
Conteirner – терминология SDH) или виртуальными притоками.
Виртуальные контейнеры – это подкадры, которые переносят
потоки данных, скорости которых ниже, чем начальная скорость
технологии SONET/SDH в 51,840 Мбит/ с (например, поток данных Т1 со скоростью 1,5444 Мбит/c.
Кадр STS-1 cодержит 9 строк и 90 столбцов, таким образом 810
байт данных. Первые три байта каждой строки – это служебные заголовки. Первые три строки (3 байта в каждой строке) представляют собой заголовок из 9 байт протокола уровня секции и содержат
данные, необходимые для контроля и реконфигурации секции.
Остальные 6 строк составляют заголовок протокола линии, который используется для реконфигурации, контроля и управления
линией.
Устройства сети SONET/SDH имеют достаточную буферную память для размещения в ней всех байт кадра, поэтому устройства
для анализа информации имеют достаточно полный доступ ко всем
частям кадра. Благодаря этому служебная информация может располагаться в несмежных байтах.
Заголовок протокола пути располагается ещё в одном столбце.
Этот заголовок используется для указания местоположения виртуальных контейнеров внутри кадра, если кадр переносит данные,
полученные с низкоскоростных пользовательских каналов типа
T1/E1.
Местоположение виртуальных контейнеров задается не жестко, а с помощью системы указателей (pointers). Эти указатели обеспечивают синхронную передачу байт кадров, несмотря на асинхронный характер вставляемых и удаляемых данных. Указатели
используются на разных уровнях. С помощью указателей выполняется выделение поля данных кадра из синхронного потока байт.
Несмотря на то, что синхронизация всех устройств сети тактовой
частотой синхронизации производится из одного центрального
источника, синхронизация между различными сетями может незначительно отличаться. Для компенсации этого эффекта началу
поля данных кадра разрешается смещаться относительно начала
синхронного кадра произвольным образом. Для этого используется указатель первого байта поля данных SPE (Synchronous Payload
Environment). Использование указателей показано на рис. 4.4.
Реальное положение SPE задаётся указателем H1, который размещается в заголовке протокола линии. Каждый узел сети, поддерживающий протокол линии, обязан следить за частотой посту42
3 байта
Кадр STS-1
Н1
Кадр STS-1
Заголовок
линии
Заголовок пути
VC с данными канала Т1
3´9= 27 байтов
Рис. 4.4. Использование указателей для поиска данных в кадре
пающих данных и компенсировать её несовпадение с собственной
частотой путём вставки или удаления одного байта из служебного
заголовка. Затем узел должен увеличить или уменьшить значение
SPE относительно начала кадра STS-1. При этом поле данных может размещаться в двух последовательных кадрах, как показано
на рис. 4.4. Этот же приём применяется для вставки или удаления
данных в потоке STS-n.
Рассмотрим работу узлов сети при вставке данных. При этом режиме мультиплексор формирует виртуальный контейнер и, пользуясь указателем H1, находит начало очередного поля данных. Затем мультиплексор анализирует заголовок пути и находит в нём
указатель H4, который описывает структуру контейнеров, находящихся в кадре. Обнаружив свободный контейнер нужного формата
(например, 24 байта для канала T1), он вставляет эти байты в нужное место поля данных кадра STS-1.
Аналогично производится поиск начала данных этого канала
при выполнении операции удаления пользовательских данных.
4.3. Размещение ячеек АТМ в кадрах сетей синхронной
цифровой иерархии
Рекомендация СС МСЭ 1.311 определила, что SDH является основой физического уровня B-ISDN, построенных на основе технологии АТМ как на сетевом уровне, так и в сети доступа в интерфейсе «пользователь-сеть».
43
Физический уровень с точки зрения систем передачи делится на
слои: слой регенераторной секции, слой мультиплексорных участков и слой цифрового тракта связи. Перенос информации осуществляется синхронными транспортными модулями STM, которые
содержат информацию пользователя и служебную информацию и
имеют кадровую структуру.
Использование кадра STM-1 для переноса ячеек АТМ приведено
на рис. 4.5.
Синхронный транспортный модуль STM-1 кроме информационной нагрузки имеет избыточную (служебную) нагрузку (OH-Over
Head), которая обеспечивает функции контроля, эксплуатации и
технического обслуживания и ряд других служебных функций.
Служебная нагрузка слоя секций называется секционной служебной нагрузкой (SOH-Section OH). Слой секций делится на слой
регенераторных секций и слой мультиплексорных секций. В связи
с этим SOH делится на служебную нагрузку регенераторной секции
9 байт
261 байт
RSOH
(3 строки)
Виртуальный
контейнер
4-го порядка
J1
Административный
указатель
B3
C2
MSOH
(5 строк)
G1
Ячейка
Ячейка
F2
H4
Z3
Ячейка
Ячейка
Z4
Ячейка
Z5
Cлужебная нагрузка тракта ( POH)
Рис. 4.5. Использование кадра STS-1 для переноса ячеек АТМ
44
(RSOH) и служебную нагрузку мультиплексорной секции (MSOH).
При этом служебные байты используются для подсчета ошибок и
других технологических операций и функций. Служебная нагрузка RSOH передаётся между регенераторами, а служебная нагрузка
MSOH передаётся между пунктами, в которых формируются или
расформировываются транспортные модули.
При использовании STM-1 для транспортирования ячеек поток
ячеек АТМ размещается в контейнеры 4-го порядка. Таким образом, в STM-1 для переноса ячеек АТМ выделяется пропускная способность, равная
9 ⋅ 260 ⋅ 8
= 149,760 Ìáèò/ñ.
125 ⋅ 10−6
При этом следует иметь в виду, что указатель пути POH находится в поле данных и занимает целый столбец в 9 байт.
Размер контейнера 4-го порядка размером (9*260 = 2340) не кратен размеру ячейки АТМ в 53 байта. Поскольку объём контейнера заполняется полностью, то очередная ячейка может пересекать
границу контейнера. Затем к контейнеру 4-го порядка добавляется
служебная нагрузка тракта (POH-Path OH). При этом образуется
виртуальный контейнер 4-го порядка(VС-4). Затем виртуальный
контейнер 4-го порядка записывается в синхронный транспортный
модуль. При этом 1-й байт виртуального контейнера может находиться в любом месте STM-1, исключая первые девять колонок.
Административный указатель используется для того, чтобы
найти первый байт виртуального контейнера 4-го порядка.
4.4. Административное управление в сетях синхронной
цифровой иерархии
Плоскость менеджмента охватывает функции менеджмента
уровнями и менеджмента плоскостями. Менеджмент уровнями
имеет четкую уровневую структуру и стыки с физическим уровнем, уровнем АТМ, уровнем уровнем адаптации АТМ и высшими
уровнями. В плоскостях пользователя и управления он осуществляет мониторинг этих уровней с целью поиска и локализации неисправностей, проверки соответствия параметров трафика пользователя, качества предоставляемого обслуживания. Кроме того, он
осуществляет изменение конфигурации сети в интересах динамического управления, административного управления и эксплуатации и технического обслуживания (ЭТО).
45
Основными уровнями системы управления сетями АТМ и сетями синхронной цифровой иерархии являются:
– уровень управления элементами сети;
– уровень управления сетью в целом;
– уровень управления услугами;
– уровень управления бизнесом.
МОС определила следующие функциональные сферы сетевого
управления:
– управление восстановлением;
– управление производительностью;
– управление конфигурацией сети;
– организация сбора статистики и учёта;
– управление безопасностью.
Основной подсистемой в системе административного управления сетями является подсистема эксплуатации и технического обслуживания, которая обеспечивает обнаружение и локализацию
неисправностей и восстановление нормальной работы. Данная подсистема обеспечивает выполнение следующих функций:
– тестового контроля параметров производительности;
– локализацию неисправностей;
– выработку решений по восстановлению отказов;
– автоматическую настройку технических средств после восстановления;
– аварийную сигнализацию;
– формирование служебных сообщений и передачу служебной
информации ЭТО в базы данных;
– отображение служебной информации ЭТО обслуживающему
персоналу.
Уровни и потоки информации ЭТО
Эталонная архитектура потоков ЭТО и их связь с потоками
управления сетей синхронной цифровой иерархии имеет ряд уровней, которые имеют соответствующие обозначения. При этом
F1 – поток информации ЭТО регенерационной секции SDH;
F2 – поток информации ЭТО мультиплексорной секции SDH;
F3 – поток информации ЭТО уровня тракта передачи SDH;
F4 – поток информации ЭТО виртуального пути уровня АТМ;
F5 – поток информации ЭТО виртуального канала уровня АТМ.
Потоки F4 и F5, соответствующие соединению виртуального
пути и соединению виртуального канала, называются прямыми
потоками или потоками «точка-точка». Потоки в масштабе звена
46
виртуального пути или звена виртуального канала называются сегментными.
Типы и форматы ячеек ЭТО
Формат ячеек ЭТО соединения виртуальных путей F4 показан
на рис. 4.6.
При этом приняты следующие обозначения:
GFC (General Flow Control) – общее управление потоком;
VCI (Virtual Canal Identifier) – идентификатор виртуального канала;
VPI (Virtual Path Identifier) – идентификатор виртуального пути;
PTI (Payload Type Identifier) – идентификатор типа полезной нагрузки;
CLP (Cell Loss Priority) – приоритет потери ячейки;
HEC (Header Error Control) – контроль ошибки в заголовке;
OAM (Operation and Maintenance) – эксплуатация и техническое
обслуживание;
CRC (Cyclic Redundancy Code) – циклический избыточный код.
Потоки информации ЭТО F4 уровня виртуального пути для
идентификации потока «точка-точка» используют значения виртуального канала VCI = 4, а для сегментных потоков VCI = 3. Поле
пециальных функций 45 байт.
Формат ячеек ЭТО соединения виртуальных каналов F5 показан
на рис. 4.7.
При этом VPI и VCI имеют такие же значения, как и у ячеек пользователя. Для потока ячеек ЭТО F5 типа «точка-точка» PTI = 101, а для
сегментных потоков PTI = 100. Поле специальных функций 45 байт.
Информация, содержащаяся в ячейках ЭТО F4 и F5, может относиться к процессам обнаружения и локализации отказов в сетях
Заголовок 5 байт
Информационное поле 48 байт
GFC VPI VCI PTI CLP HEC
Поле
НазначеТип
специальных Резерв
ние
OAM
функций
(6 бит)
(4 бита)
типа
(45 байт)
(4 бита)
СRC
(10 бит)
Рис. 4.6. Формат ячеек ЭТО соединения виртуальных путей F4
47
Заголовок 5 байт
Информационное поле 48 байт
GFC VPI VCI PTI CLP HEC
Тип
Поле
Вид
выполн. специальных Резерв.
OAM
(6 бит)
(4 бита) функций функций
(45 байт)
(45 бит)
СRC
(10 бит)
Рис. 4.7. Формат ячеек ЭТО виртуальных каналов F5
АТМ, к контролю параметров производительности сети и её элементов и к активации и деактивации процессов ЭТО. Для обнаружения отказов, определения места их возникновения и принятия
решения об их локализации используются специальные ячейки.
Ячейка AIS (Alarm Indication Signal) служит для указания сигналов аварии, ячейка RDI (Remote Defect Indication) предназначена для указания об удалённой неисправности и FERF (Far End
Reporting Fail) сообщения удалённого терминала об отказе, ячейка
CC (Continuity Check) предназначена для проверки непрерывности
и ячейка Loopback – проверки шлейфом.
Для проверки производительности сети и её элементов используются ячейки, выполняющие функции прямого мониторинга
(Forward Monitoring),
Сообщения о результатах мониторинга (Backward Monitoring)
и мониторинга и сообщения о его результатах (Monitoring and
Reporting).
Для активации и деактивации процессов ЭТО используются
ячейки, выполняющие функции мониторинга производительности
(Performance Monitoring) и проверки непрерывности Continuity Check.
Далее представлена кодировка полей служебных ячеек (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Вид OAM
Обнаружение,
определение места
возникновения и локализация отказов
48
Код поля
«Вид
OAM»
0001
Выполняемые функции
Указание аварии
Указание об удаленном
дефекте
Проверка непрерывности
Проверка шлейфом
Код поля
«Тип
функций»
0000
0001
0100
1000
Окончание табл. 4.1
Вид OAM
Код поля
«Вид
OAM»
Выполняемые функции
Код поля
«Тип
функций»
Контроль производительности
0010
0000
0001
0010
Активация и деактивация процессов ЭТО
1000
Прямой мониторинг
Сообщение о результатах
мониторинга
Мониторинг и сообщение о
результатах мониторинга
Мониторинг производительности
Проверка непрерывности
0000
0001
4.5. Управление техническим состоянием сети АТМ
и её элементов
Управление техническим состоянием сети АТМ и её элементов
должно определить сам факт отказа, место отказа и произвести локализацию отказа. Для этого используются следующие служебные
ячейки:
– указания аварии AIS;
– указания об удаленном дефекте или неисправности RDI/FERF;
– проверки непрерывности (Continuity Check);
– проверки шлейфом (Loop back).
Поиск отказов
Поле специфических функций ячеек AIS и RDI/FERF представлено на рис. 4.8. При этом кодирование по умолчанию = 6A Hex для
всех октетов.
Рассмотрим возможности ячеек и на двух примерах.
1. Пусть между сетевыми узлами 2 и 3 произошёл отказ физического уровня в обоих направлениях (рис 4.9). Обозначим отказы
в каждом направлении как «Отказ-А» и «Отказ-В». Пусть узел 3
обнаружил сам факт «Отказ-А», а узел 2 – «Отказ– В». При этом
порядок действий будет следующим. Узел 3 вырабатывает ячейку
Тип отказа
(1 байт)*
(9 байт)
Не используется (35 байт)
Рис. 4.8. Формат поля специальных функций ячеек AIS и RDI/FERF
49
Ячейка RDI/FERF
Ячейка AIS-A
Отказ -А
2
1
3
4
Отказ -В
Ячейка RDI/FERF
Ячейка AIS-B
Рис. 4.9. Случай отказа в обоих направлениях
AIS-A и посылает её « вниз по течению» в сторону узла 4. Узел 4 получает ячейку AIS с указанием предполагаемого типа отказа и места отказа и формирует и посылает «по течению» в сторону узла 3
сообщение RDI/FERF об «Отказе-А». Аналогично узел 2 после того
как обнаружил «Отказ-В» вырабатывает ячейку AIS-B и посылает
«вниз по течению» узлу 1 ячейку AIS-В.
Узел 1 принимает ячейку и посылает сообщение RDI или FERF
об «Отказе-B».
2. Между сетевыми узлами 2 и 3 произошёл отказ физического
уровня в одном направлении (рис 4. 10).
Порядок действий будет следующим. Узел 3, находящийся
ниже по направлению места отказа, генерирует ячейку AIS-A. Узел
4 генерирует сигнал RDI или FERF, который поступает к узлу 1.
В результате данный метод позволяет обнаружить факт и место
возникновения как двусторонних, так и односторонних отказов
физического уровня и сообщить об этом в систему управления сетью. Но данный метод не может обнаружить случаи неправильного
назначения и неправильной трансляции идентификаторов виртуЯчейка AIS-A
Отказ -А
1
2
3
4
Ячейка RDI/FERF
Рис. 4.10. Случай отказа в одном направлении
50
альных путей или виртуальных каналов в коммуникационном оборудовании. Это приводит к потере пакетов АТМ или доставке их не
по адресу. Но такие неисправности определяются с помощью ячеек
«Loopback».
Операция проверки «Шлейфом»
Эта операция выполняется с помощью ячеек «Loopback», позволяет выявить место неисправностей этого типа. Структура поля
специальных функций ячейки ЭТО данного типа представлена на
рис. 4.11.
При этом
* кодирование по умолчанию = «6A» Hex для всех октетов;
** поле, интерпретируемое при приёме ячейки
Поле специальных функций содержит 26 байт:
– поле идентификатора шлейфа– 1 байт (7 первых бит заполняются нулями);
– поле корреляционной метки– 1 байт;
– поле идентификатора места шлейфа– 1 байт;
– поле идентификатора источника– 12 байт;
– оставшиеся байты пока не используются.
Поле идентификатора шлейфа имеет значение «1» при передаче
источником и изменяется на «0» в точке приёма, которая отправляет ячейку обратно источнику. При получении ячейки с индикатором шлейфа, равным 0, источник уничтожает ячейку. Этим самым не допускается зацикливания.
Поле корреляционной метки заполняется источником и позволяет источнику идентифицировать ячейку при её возвращении среди других ячеек ЭТО.
Поле идентификатора места шлейфа показывает, в каком месте
ячейка должна быть направлена обратно. При этом принято, что
если поле заполнено единицами, то операция «шлейф» должна
быть выполнена в оконечной точке.
Идентификатор Корреляционная Идентификатор Идентификатор
источника
метка
места шлейфа
шлейфа
(12 байт)
(1 байт)
(12 байт)
(1 байт) **
Не
используется*
Рис. 4.11. Формат поля специальных функций ячеек «Loopback»
51
Поле идентификатора источника необходимо для опознавания
ячейки и удаления её после возвращения к источнику.
Операция проверки шлейфом может выполняться оконечными
и сетевыми узлами.
Пример использования операции «шлейф» приведён на рис.
4.12. Пусть имеется две оконечные точки 1 и 2, между которыми
должно существовать соединение виртуального пути, проходящего
через 2 сети, которые обозначены как «Cеть 1» и «Сеть 2». Пусть
в каждой сети имеется по 3 сетевых узла с номерами N1, N2 и N3.
Проверка соединения виртуального пути посредствам прямого
шлейфа между оконечными точками 1 и 2 показана на рис. 4.12, а.
а)
1
Сеть 1
N1
Сеть 2
N3
N1
N3
2
б)
1
N1
N3
N1
N3
N1
N3
2
в)
1
N1
N3
2
г)
2
1
N1
N3
N1
N3
Рис. 4.12. Пример операции проверки шлейфом
52
Если соединение существует, то проверка закончена. Если соединение нарушено, то любая сеть путём последовательной организации
сегментных шлейфов может выявить место отказа.
Проверка исправности соединения между оконечной точкой 1 и
сетевым узлом N1 сети 1 показана на рис. 4.12, б. Если соединение
исправно, то место повреждения, которое всё же существует, может быть выявлено путём последовательного проведения операции
сегментного шлейфа.
Проведение данной операции между сетевым узлом N1 и сетевым узлом N3 сети 1 с целью проверки исправности соединения
виртуального пути сети 1 показано на рис. 4.12, в. Если соединение
нарушено, то с помощью операций сегментного шлейфа проверяется сеть 1. Если соединение исправно, то место повреждения, которое всё же существует, может быть выявлено путём последовательного проведения операции сегментного шлейфа.
Проведение данной операции между сетевым узлом N1 сети1 и
сетевым узлом N3 сети 2 с целью проверки исправности соединения
виртуального пути сети 2 показано на рис. 4.12, г. Если соединение
нарушено, то с помощью операций сегментного шлейфа проверяется сеть 2.
Метод проверки с помощью шлейфа обладает высокой эффективностью.
Проверка непрерывности
Для обнаружения факта отказа или неисправности и места её
возникновения применяется также ячейка ЭТО СС («Continuity
Check» – проверка непрерывности). Проверка заключается в том,
что оконечная точка периодически с заданным интервалом передаёт ячейки ЭТО типа СС, что позволяет обнаружить факт отказа
оконечной точке и всем промежуточным точкам соединения. При
этом возможно расширение. При пропадании ячеек в течение определённо заданного времени (в зависимости от длины испытуемого участка, скорости передачи и т. д.) в пределах, как правило, от
2…20 с, генерируется ячейка ЭТО типа RDI/FERF.
Соединение виртуального пути для трёх сетевых узлов показано на рис. 4.13, а. Что на сетевом узле 2 произошёл сбой в таблице
маршрутизации, который прервал поток ячеек ЭТО типа СС показано на рис. 4.13, б. Что сетевой узел N3 перестал получать ячейки
ЭТО типа СС и послал извещение об отказе, т. е. послал ячейку ЭТО
типа RDI/FERF показано на рис. 4.13, в. Метод обладает высокой
эффективностью.
53
а)
Ячейка CC
VPI=1
1
VPI=17
N1
VPI=31
VPI=1
N2
2
N3
б)
Ячейка СС
VPI=1
1
VPI=17
N1
VPI=13
N2
VPI=1
2
N3
в)
Ячейка СС
1
VPI=1
N1
VPI=17
VPI=13
N2
VPI=1
2
N3
Ячейка RDI/FERF
Рис. 4.13. Использование ячеек OAM типа « Continuity Cheek» для
обнаружения отказа: а – начальное соединение виртуального пути;
б – ошибочное изменение виртуального пути;
в – извещение об отказе
Измерение параметров производительности
Измерение параметров производительности должно производиться без нарушения непрерывности соединений и без снижения
качества обслуживания пользователей. Измерение может производиться между оконечными точками или между промежуточными
точками по каждому выбранному пути или каналу. При этом могут запрашиваться действия мониторинга производительности или
контроля непрерывности как в одном направлении, так и в обратном направлении или в обоих направлениях.
54
Параметры качества обслуживания измеряются на основе оценок исхода транспортирования ячеек в сети АТМ.
Определены четыре исхода транспортирования ячеек:
1. Транспортирование считается успешным, если отсутствуют
ошибки в информационном поле, заголовок получен без ошибок и
время задержки не превышает нормативного.
2. Ячейка принята с ошибками, если время задержки не превышает нормативного, но содержание информационного поля не соответствует переданному или ячейка принята с ошибками в заголовке после его проверки и исправления одиночных ошибок.
3. Ячейка считается потерянной, если время задержки превышает нормативное или ячейка не поступила в точку приема.
4. Ячейка считается прибывшей не по адресу (прием ячейки не
соответствует передаче).
Заключение об исходе также выполняется по каждому блоку
ячеек.
Исход мониторинга считается успешным, если в блоке из N ячеек общее количество ячеек, принятых с ошибками, потерянных и
поступивших не по адресу, меньше или равно некоторому числу M.
В противном случае исход транспортировки блока ячеек считается безуспешным и такой блок считается блоком ячеек с серьезными ошибками. В дальнейших расчетах параметров производительности такие блоки не принимаются во внимание.
55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Новые информационные технологии и оптоволоконная техника позволяет передавать по вычислительным сетям разнородный
поток информации в реальном масштабе времени и с высоким качеством. Интегрированные вычислительные сети предоставляют
ряд новых услуг. Появилась возможность управления потоками
данных и распределения ресурсов не только со стороны системных
администраторов, но и со стороны пользователей с предоставлением им возможности определенного воздействия на сетевые коммуникационные узлы для получения необходимых ресурсов и даже
управления ими в своих интересах. Интегрированные вычислительные сети обнаруживают широкий класс ошибок и отказов в автоматическом режиме, что значительно облегчает работу сетевых
операторов.
56
Библиографический список
1. Телекоммуникационные системы и сети: учеб. пособие: в 3 т.
Т. 3. Мультисервисные сети / В. В. Величко, Е. А. Субботин,
В. П. Шувалов, А. Ф. Ярославцев; под ред. проф. В. П. Шувалова.
М.: Горячая линия – Телеком, 2005. 592 c.
2. Смирнов А. В., Пескин А. Е. Цифровое телевидение: от теории
к практике. М.: Горячая линия – Телеком, 2005. 352 c.
3. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы,
технологии, протоколы. СПб: Питер, 2006. 72 с.
4. Сети Gigabit Ethernet // Byte, Россия. 1998. N1. С. 57–63.
5. Назаров А. Н., Симонов М. В. АТМ: технология высокоскоростных сетей. М.: Эко-Тренз, 1999. 252 с.
57
ОГЛАВЛЕНИЕ
Перечень условных обозначений и сокращений............................ 3
Предисловие ........................................................................... 4
1. Сети связи с интеграцией услуг.............................................. 5
1.1. Методы коммутации в ЦСИС........................................... 5
1.2. Требования к параметрам передачи различных
видов информации........................................................ 7
1.3. Услуги, предоставляемые интегрированными
вычислительными сетями. ............................................ 9
2. Высокоскоростные локальные вычислительные сети............... 12
2.1. Виды высокоскоростных ЛВС....................................... 12
2.2. Высокоскоростные ЛВС Gigabit Ethernet........................ 12
2.3. Высокоскоростная сеть FDDI......................................... 17
3. Высокоскоростные глобальные вычислительные сети.............. 22
3.1. Основные особенности технологии ATM.......................... 22
3.2. Модель протокола B-ISDN. ........................................... 25
3.3. Способы маршрутизации ячеек в ATM-сетях .................. 29
3.4. Управление в ATM-сетях.............................................. 34
4. Технология синхронной цифровой иерархии ......................... 38
4.1. Аппаратура и стек протоколов....................................... 38
4.2. Форматы кадров сетей SONET/SDH ............................... 41
4.3. Размещение ячеек АТМ в кадрах сетей синхронной
цифровой иерархии.................................................... 43
4.4. Административное управление в сетях синхронной
цифровой иерархии.................................................... 45
4.5. Управление техническим состоянием сети АТМ
и её элементов............................................................ 49
Заключение.......................................................................... 56
Библиографический список .................................................... 57
Учебное издание
Крылов Юрий Дмитриевич
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
Учебное пособие
Редактор В. П. Зуева
Компьютерная верстка Ю. В. Умницыной
Сдано в набор 28.09.15. Подписано к печати 20.10.2015. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,4. Уч.-изд. л. 3,7.
Тираж 100 экз. Заказ № 371.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Для заметок
60
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
2 044 Кб
Теги
krylov, 08208e31a3
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа