ВВЕДЕНИЕ

В последнее время появился ряд книг, посвящённых сети Internet [2—10]. Однако практически все они предназначены для предварительного знакомства с сетевыми возможностями. Количество узлов Internet в России уже исчисляется тысячами. Формируется слой программистов, работающих в области сетевого программного обеспечения. Таким людям мало уметь пользоваться теми или иными программами, им нужно понимать, как работают основные протоколы, как следует писать программы для работы с пакетами.

Данное пособие может быть полезно как специалистам, так и лицам, впервые столкнувшимся с необходимостью воспользоваться услугами, предоставляемыми сетью Internet. Это пособие предназначено для пользователей начального и среднего уровня и охватывает почти все основные протоколы, входящие в TCP/IP. Каждый из них рассматривается достаточно подробно, излагается его работа и взаимодействие с другими протоколами семейства TCP/IP. При этом рассказывается об основных средствах для установки, настройки и обслуживания сетей TCP/IP. Последняя глава посвящена новым сетевым технологиям Frame Relay и ATM в сетях и перспективам их развития.

В существующей системе Internet немало недостатков. Наиболее серьезные трудности связаны с проблемой маршрутизации, не существует механизма выравнивания загрузки каналов в рамках внешних протоколов, механизмы управления не всегда удобны, диагностика несовершенна. Система адресации сети Internet архаична и уже планируется её замена (расширение разрядности адресов), многие сервисные услуги неудобны, например, при FTP затруднена оценка продолжительности выполнения команды put или get, не производится предупреждения об отключении связи при пассивности пользователя, TELNET не имеет возможности непосредственно копировать файлы с удалённой ЭВМ, поисковые системы не всегда позволяют найти то, что нужно и т.д. и т.п.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АО — Акционерное Общество

АП — агент пользователя

АПК — аппаратно-программный комплекс

АПС — агент пересылки сообщений

БД — база данных

БДНП — блок доступа непрямых пользователей

БДФД — блок доступа физической доставки

БЧХ — помехоустойчивый код Боуза-Чоудхури-Хоквингема

ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи

ЗУ — запоминающее устройство

ИВС — информационно-вычислительная сеть

КК — коммутация каналов

КП — коммутация пакетов

КС — коммутация сообщений

ЛВС — локальная вычислительная сеть

МП — микропроцессор

МОС — Международная организация по стандартизации

МСЭ-Т — Международный союз электросвязи отделение телефонии (до 1995 г. МККТТ — Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии)

НГМД — накопитель на гибком магнитном диске

НСД — несанкционированный доступ

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство

ООД — оконечное оборудование данных

ОРД — объект размещения и доставки

ОС — операционная система

ОТД — опорная точка доступа

ОФМ — относительная фазовая модуляция

П — пользователь

ПАД — пакетный адаптер данных

ПД — передача данных

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство

ПК — персональный компьютер

ПО — программное обеспечение

ППЗУ — перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство

ПРД — передатчик

ПРМ — приёмник

ПС — пересылка сообщений

ПЭВМ — персональная ЭВМ

РРЛ — радиорелейная линия

РОС-НП — алгоритм повышения верности «Решающая обратная связь с непрерывной передачей»

РОС-ОЖ — алгоритм повышения верности «Решающая обратная связь с ожиданием»

РФ — Российская Федерация

СБИС — сверхбольшая интегральная схема

СНГ — Содружество Независимых Государств

СОС — система обработки сообщений

СПС — система пересылки сообщений

ТД — телеобработка данных

ТЛФ — телефонные каналы

ТЛФОП (ТФОП) — телефонная сеть общего пользования

ТСМ — треллис-модуляция

Хост-ЭВМ — система, предоставляющая пользователю свои информационные и вычислительные ресурсы

ХС — хранилище сообщений

ЦКП — центр коммутации пакетов

ЦП — центральный процессор

ЧМ — частотная модуляция

ЭЛТ — электронно-лучевая трубка

ЭМВОС — эталонная модель взаимодействия открытых систем

ЭП — электронная почта

ARP — Address Resolution Protocol (протокол преобразования адресов)

ASCII — American Standard Code for Information Interchange (Американский стандартный код для информационного обмена)

ATM — Asynchronous Transfer Mode (режим асинхронной передачи)

BGP — Border Gateway Protocol (протокол граничных маршрутизаторов)

BIOS — Basic Input / Output System (базовая система ввода/вывода)

BISDN — Broadband Integrated Services Digital Network (широкополосная цифровая сеть с интеграцией служб)

CBMS — Computer Based Messaging System (компьютерная система передачи сообщений)

CBS — Committed Burst Size (согласованный импульсный объём переданной информации)

CD-ROM — Compact Disk ROM (ПЗУ на компакт-диске)

CGA — Color Graphics Adapter (цветной графический адаптер)

СGI — Common Gateway Interface (универсальный интерфейс шлюзов)

CIR — Committed Information Rate (согласованная информационная скорость)

CISC — Complex Instruction Set Computing (однокристальный процессор)

DLCI — Data Link Connection Identifier (идентификатор соединения по звену передачи данных)

DNS — Domain Name Service (служба именования доменов)

DOS — Disc Operating System (дисковая операционная система)

DV — Distance Vector (вектор длин)

EGA — Enhanced Graphics Adapter (улучшенный графический адаптер)

EGP — Exterior Gateway Protocol (протокол маршрутизации)

FC — File Server (файл-сервер)

FCFS — First Come – First Served (первым пришёл – первым обслужен)

FDDI — Fiber Distributed Data Interface (распределённый интерфейс передачи данных по волоконно-оптическому кабелю)

FQDN — Fully Qualified Domain Name (полный доменный адрес)

Frame Relay — быстрая коммутация кадров

FTP — File Transfer Protocol (протокол пересылки файлов)

GGP — Gateway to Gateway Protocol (протокол маршрутизатор–маршрутизатор)

HELLO — реализация протокола внутренней маршрутизации

HTML — Hyper Text Markup Language (язык для работы с гипертекстом)

HTTP — Hyper Text Transfer Protocol (протокол для пересылки гипертекстов)

ICMP — Internet Control Message Protocol (межсетевой протокол управляющих сообщений)

IEEE 802 — Institute of Electrical and Electronics Engineers 802 (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, Комитет № 802)

IGP — Interior Gateway Protocol (внутренний протокол маршрутизации)

IP — Internet Protocol (межсетевой протокол)

ISDN — Integrated Services Digital Network (цифровая сеть с интеграцией служб)

IS-IS — Intermediate System to Intermediate System Protocol (протокол маршрутизации, выполняющий маршрутизацию данных IP и МОС)

LAN — Local Area Network (локальная вычислительная сеть)

LAP-B — Link Access Procedures Balanced (сбалансированные процедуры доступа к каналу)

MAN — Metropolitan Area Network (региональная сеть)

MHS — Message Handing System (система обработки сообщений)

MIME — Multipurpose Internet Mail Extensions (многоцелевые расширения электронной почты Internet)

MTA — Message Transfer Agent (агент пересылки сообщений)

МТS — Message Transfer System (система пересылки сообщений)

NFS — Network File System (сетевая файловая система)

NNI — Network-to-Network Interface (межсетевой интерфейс)

NNTP — Network News Transfer Protocol (протокол сетевой передачи новостей)

NVT — Network Virtual Terminal (сетевой виртуальный терминал)

OSPF — Open Shortest Path First (открытый протокол предпочтения кратчайшего пути)

РОР — Post Office Protocol (протокол почтового отделения)

РРР — Point-to-Point Protocol (протокол точка–точка)

PVC — Permanent Virtual Circuits (постоянные виртуальные соединения)

RARP — Reverse Address Resolution Protocol (протокол обратного преобразования адреса)

RFC — Request For Comments (документ, описывающий принятый в Internet стандарт)

RIP — Routing Information Protocol (протокол для передачи маршрутной информации)

RISC — Reduced Instruction Set Computing (многокристальный процессор)

RPC — Remote Procedure Call (вызов удалённых процедур)

SLIP — Serial Line Internet Protocol (межсетевой протокол для последовательного канала)

SMTP — Simple Mail Transfer Protocol (простой протокол электронной почты)

SNMP — Simple Network Management Protocol (простой протокол управления сетью)

SPF — Shortest Path First (кратчайший путь первым)

SVC — Switched Virtual Circuits (коммутируемый виртуальный канал)

SVGA — Super Video Graphics Array (супер видеографическое устройство)

TCP — Transmission Control Protocol (протокол управления передачей данных)

TELNET — Terminal Networking (протокол и программные средства, позволяющие подключаться к удалённой машине и работать с ней через эмулируемый терминал)

TFTP — Trivial File Transfer Protocol (простейший протокол пересылки файлов)

UA — User Agent (агент пользователя)

UDP — User Datagram Protocol (протокол пользовательских дейтаграмм)

UNI — User-to-Network Interface (сетевой интерфейс пользователя)

UPS — Uninterruptible Power Supply (бесперебойный источник питания)

URL — Universal Resource Locator (универсальный указатель ресурса)

UUCP — Unix-Unix-Copy-Program (Программа копирования с операционной системы Unix на такую же операционную систему)

VGA — Video Graphics Array (видеографическое устройство)

WAN — Wide Area Network (глобальная сеть)

WS — Work Station (рабочая станция)

1. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СЕТЕВЫХ АРХИТЕКТУР

1.1. Основные требования к сетевым архитектурам

Генеральным направлением развития современных информационно-вычислительных сетей (ИВС) является их глобализация и интеграция (объединение). Это приводит к расширению ИВС, совместному использованию программного обеспечения (ПО), объединению различных сетей и т.п. Продуктивной основой проектирования современных ИВС является эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), которая содержит 7 уровней: физический; канальный; сетевой; транспортный; сеансовый; представительный; прикладной. Конкретное содержание каждого уровня и реализуемые им функции существенно зависят от принятой разработчиком сетевой архитектуры ИВС.

Используемые в настоящее время сетевые архитектуры существенно различаются по принципам взаимодействия уровней, своим характеристикам и перечню предоставляемых услуг, что связано как с реальными потребностями пользователя, так и с развитием самих этих архитектур. В реальных сетях используется множество сетевых архитектур, таких как TCP/IP, IPX/SPX, XNS XEROX, Apple Talk, SNA, Banyan VINES, PC, МСЭ-Т (Х.200), 3COM, DECnet, Phase 4, ISO и ряд других. Однако поистине всемирное распространение получили два подхода — архитектура TCP/IP американского научно-исследовательского центра DARPA и архитектура МСЭ-Т (Х.200). Причём принципиальные отличия в методологических основах реализации этих архитектур проистекают из учёта качества используемых каналов связи. Так архитектура TCP/IP ориентирована на применение достаточно хороших каналов связи с низким коэффициентом ошибок (порядка 10-5), в то время как архитектура Х.200 допускает использование каналов с вероятностью ошибки порядка 10-3. Наконец, реализации ИВС на каналах очень хорошего качества (коэффициент ошибок порядка 10-7), например, волоконно-оптических или спутниковых, позволяют применять современные высокоскоростные сетевые технологии типа Frame Relay или ATM(см. раздел 7).

Поскольку основная задача ИВС общего пользования состоит в организации взаимодействия разнородных пользователей на значительных территориях, то главными требованиями к сетевой архитектуре являются:

• наличие мощной, открытой и гибкой системы адресации, позволяющей обеспечить обслуживание значительного количества пользователей;
• высокая эффективность передачи полезной информации в сети, как по времени, так и по верности доставки;
• высокая степень адаптации к изменяющимся внешним условиям (неисправности, подключение новых ресурсов или пользователей), что требует тщательно сбалансированной системы протоколов взаимодействия на всех уровнях ЭМВОС.

Набор основных протоколов сетевых архитектур МСЭ-Т (Х.200) и TCP/IP представлен в таблице 1.1.

Можно выделить следующие существенные отличия данных архитектур:

• Архитектура Х.200 предусматривает жёсткий набор протоколов на всех уровнях ЭМВОС, когда на каждом уровне между взаимодействующими объектами сначала устанавливается логическая связь, а уже затем передаются данные. При этом сверху донизу сохраняется последовательность передачи протокольных единиц (блоков, фрагментов, пакетов, кадров) и предпринимаются специальные меры для сохранения целостности этих порций данных. В случае потери или искажения протокольной единицы на каждом уровне (кроме физического) осуществляется перезапрос и повторная передача искажённой протокольной единицы.
• Архитектура TCP/IP предусматривает возможность ветвления протоколов и даже добавление новых. За целостностью данных следит транспортный уровень (протокол ТСР), либо сам пользователь (протокол UDP).

Таблица 1.1.

Уровни ЭМВОС	МСЭ-Т (Х.200)	TCP/IP
7. Прикладной	набор протоколов	Набор Набор протоколов протоколов
6. Представительный	Х.226
5. Сеансовый	Х.225	ТСР UDP
4. Транспортный	Х.224
3. Сетевой	Х.25/3	IP
2. Канальный	LAP-B(X.25/2)	произвольный
1. Физический	X.21	произвольный

Различия в идеологии построения сетевых архитектур порождают существенные различия механизма передачи данных на всех уровнях ЭМВОС за исключением физического и канального, где могут применяться протоколы МСЭ-Т — LAP-B и Х.21, но могут и другие. Основные отличия в алгоритме передачи данных состоят, во-первых, в идеологии защиты от ошибок, и, во-вторых, в реализации режима коммутации пакетов (КП).

Рассмотрим сначала методы борьбы с ошибками.

В архитектуре МСЭ-Т очень много внимания уделено вопросам защиты данных от ошибок и сбоев. Для этого выделяется второй (канальный) уровень. Обнаружение ошибок выполняется с помощью мощного помехоустойчивого кода типа БЧХ (Боуза-Чоудхури-Хоквингема) (Реком. V. 42) с минимальным кодовым расстоянием d0=5, что позволяет обнаруживать любую 4-х кратную ошибку. Исправление ошибок выполняется с помощью алгоритмов с обратной связью — РОС-ОЖ или (чаще) РОС-НП. Для борьбы со вставками и выпадениями кадров используется тайм-аут и циклическая нумерация кадров. На сетевом уровне обеспечивается нумерация пакетов и их перезапрос. Всё это позволяет использовать передающую среду практически любого качества, однако платой за это является высокая степень вносимой избыточности, т.е. падение реальной скорости передачи информации.

В архитектуре TCP/IP первый и второй уровни вообще не оговорены, т.е. передача может вестись даже без защиты от ошибок. Повышение верности возложено на транспортный протокол ТСР. Если используются хорошие каналы, например, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), то на транспортном уровне используется протокол UDP, где не предусмотрена защита от ошибок. В этом случае обнаружение и исправление ошибок осуществляется на прикладном уровне специальными программами пользователя. Такой подход становится понятным, т.к. архитектура TCP/IP первоначально была реализована в сети ARPANET, где использовались выделенные высокоскоростные каналы.

4.1 Основные параметры системы передачи дискретной информации

Классификация параметров систем передачи дискретной информации (ПДС) представлены на рис.3.1

Рис.3.1. Классификация параметров систем ПДС.

Под верностью передачи понимается вероятность полного совпадения переданного символа с принятым. На практике верность оценивается вероятностью ошибки Рош и вероятностью потери Рпот сообщений. В таблице 3.1. приведены, в качестве примера, значения этих параметров в различных системах ПДС. В телеметрических системах уменьшение Рош по сравнению с другими системами вызвано возможностью восстановления пораженного ошибкой символа по соседним символам (например, путем «сглаживания»).

Требования по скорости и времени задержки сигнала в системе ПДС определяются допустимой задержкой доставки информации Тдоп. График Тдоп= f (V), V- объем сообщения имеет следующий вид (рис.3.2.). На этом же рисунке приведены графики зависимости трех значений скорости передачи Rс, которые обеспечивают величину Тдоп при заданном объеме V передаваемой информации.

Под скоростью передачи информации по каналу (R) понимается количество бит, передаваемое в единицу времени (секунду). Максимально возможное значение скорости Rmax, при заданных условиях называют пропускной способностью канала С.

Таблица 3.1.

	Параметр	Рош	Рпот
	Системы оповещения	10-9 10-10	10-9 10-10
	Телеметрические система	10-3	10-5
Системы диалоговые и справочные		10-6	10-6
Системы управления, принятия решений, телеграфия		10-5	10-5

Рис. 3.2. Сроки доставки дискретных сообщений.

Графики Тдоп=f1(V); С= f2(V) и области допустимой задержки следующих видов сообщений: 1-оповещения; 2-телеметрическая информация; 3-диалог «человек-машина»; 4-справочная информация; 5-обмен программами между ЭВМ; 6-общие донесения в АСУ; 7-телеграфная информация.

Под алгоритмической сложностью понимается число логических и арифметических операций и объём памяти ЗУ, необходимых для обеспечения преобразований сообщения в выходной сигнал системы ПДС.

Структурная сложность определяется числом базовых узлов, которые необходимы для построения системы ПДС при заданных параметрах надежности. В качестве базовых могут пониматься узлы, выпуск которых освоен промышленностью, например триггеры, операционные усилители и т.д.

Наиболее общим показателем системы ПДС являются информационная эффективность, которая определяется как отношение скорости передачи информации к пропускной способности канала =R/C, и характеризует степень использования канала. Стоимость системы ПДС обычно связывают с её основной функцией - передачей информации. Отсюда, в качестве оценки стоимости системы ПДС принимается стоимость передачи 1 бита информации S. Эта характеристика определяется полной стоимостью приведенных годовых затрат на систему и складывается из капитальных расходов на изготовление аппаратуры и расходов на её эксплуатацию.

Между информационной эффективностью и стоимостью 1 бита информации имеется тесная связь (рис. 3.3.). С ростом стоимость передачи 1 бита ин-формации падает, за счет лучшего использования непрерывного канала. При =орt обеспечивается минимальна стоимость передачи 1 бита информации. При > орt сказывается разное увеличение стоимости оборудования преобразования сигналов и S сильно увеличивается. Очевидно, что орt зависит от уровня развития электронной техники.

Рис.3.3. Завиcимость стоимости системы ПДС от

информационной эффективности.

1.1.1 Алгоритм с РОС и ожиданием решающего сигнала (РОС-ОЖ)

Структурная схема РОС-ОЖ представлена на рис. 3.13, а алгоритм работы—на рис. 3.14. Работает система следующим образом.

По сигналу управляющего устройства передатчика УУпер прямого канала ПКпер, источнику сообщений ИС посылается сигнал готовности аппаратуры к передаче данных (А1). По этому сигналу ИС выдает одну очередную комбинацию сообщения, которая поступает в кодер и накопитель передачи Нпер передатчика ПКпер (А2). Накопитель Нпер служит для запоминания одной передаваемой комбинации с целью возможности ее повторения, если придет сигнал «Переспрос» по обратному каналу. Кодер в процессе кодирования добавляет к передаваемым информационным разрядам проверочные разряды, полученные по законам формирования разрешенных комбинаций применяемого кода, например циклического (A3). Пройдя через УПСперПКпер дискретные сигналы приобретают вид, удобный для передачи по используемому каналу связи. Если последний является каналом ТЧ, то сигнал на выходе УПС имеет вид модулированного колебания (А4).

В приемнике прямого канала ПКпер сигнал после обратного преобразования в УПСпр(А5) появится через соответствующее время распространения tр.

Информационная часть комбинации записывается в Нпр прямого канала (А6) и одновременно эта комбинация поступает в декодер приемника прямого канала, с помощью которого производится обнаружение ошибок.

Решающее устройство РУ выдает решение о качестве приня­той комбинации на УУпр. Через taн устройство УУпр прямого канала выдает команды в Нпр и формирователь сигнала обратной связи ФСОС передатчика

обратного канала ОКпер. Если ошибка не обнаружена, то формируется сигнал «Подтверждение» в обратном канале и выдается команда, по которой информация из Нпр поступает потребителю ПС (А7, А8), (см. на рис. 8.8 передачу блока 1). Для наглядности графики сигналов, относящихся к разным частям системы (относительно ст. А и Б), разнесены на рис. 8.8. Пройдя по обратному каналу за время tрОС сигнал

Рис 3.13 Структурная схема СПД с РОС-ОЖ.

подтверждения распознается дешифратором сигнала обратной связи ДСОС на ст. А (А10...А12). С помощью УУпер через вре­мя анализа сигнала обратной связи tа ос от ИС запрашивается очередная комбинация и цикл передачи повторяется (информа­ция в Нпер и Нпр в этом случае автоматически стирается при по­ступлении новой порции (А13...А14)).

А1 -запрос очередной комбинации (ЗОК) от ИС; А2—запись очередной комбинации (информационной части) в Hпер; A3 — кодирование; А4 — передача по ПК; А5 — прием из ПК; А6—декодирование и запись принятой комбинации (информационной части) в Нпр; А7 - ­выдача комбинации из Нпр ПС; A8—формирование сигнала подтверждения; А9—фор­мирование сигнала переспроса, стирание комбинации в Нпр и запрещение ее выдачи в ПС; А10— передача по ОК: A11—прием из OK; A12—дешифрирование сигнала ОС; А13— стирание предыдущей комбинации в Нпер; А14—блокировка ИС и повторение передачи комбинации из Нпер.

Если же ошибка в ПКпр обнаруживается декодером, то формируется сигнал переспроса в обратном канале и УУпр ПК вы­дает команду, запрещающую выдачу информации потребителю ПС из Нпр (эта информация уже не представляет интереса и она уничтожается в накопителе, т. е. «стирается»). Временная диаграмма процессов (А9...А13) показана на рис. 3.15 при передаче

Рис. 3.14. Граф-схема алгоритма работы системы ПДС с РОС-ОЖ:

комбинации 2. Пройдя по обратному каналу за время tрОС сигнал переспроса распознается ДСОС ст. А. С помощью УУпер через taОС из накопителя Нпер хранящаяся там комбинация повторно передается в кодер и далее. А источнику сообщений ИС и УУпер ПКпер поступает сигнал, запрещающий передавать очередную комбинацию. Следовательно, информация из Нпер будет повто­ряться до тех пор, пока не придет сигнал подтверждения. Если происходит длительное нарушение связи, в системе

начинает цир­кулировать одна и та же комбинация—говорят, что система «зацикливается». С целью предотвращения «зацикливания» обычно ограничивают количество таких повторов. После некоторого числа повторов одной и той же комбинации система переводится в режим «авария».

Таким образом, источнику сообщений «разрешается» выдавать только по одной комбинации с паузой между двумя соседними, равной времени ожидания ответа подтверждения по обратному каналу.

Минимальное время ожидания tож можно легко определить на рис. 3.15:

tож==tр+t`+tОС+tpОС+tаОС,

где tОС—длительность сигнала обратной связи.

Алгоритм работы системы с РОС-ОЖ весьма наглядно иллюстрируется графом состояний системы на рис. 3.16. Как видно из рисунка, правильный

Рис. 3.16. Граф состояний системы с РОС-ОЖ:

НП — начало передачи; ОО — обнаруженная ошибка: НО — необнаруженная ошибка; ППр— правильный прием: ИП — иска­жение подтверждения: ИЗ — искажение запроса: ПП — пра­вильное подтверждение; ПЗ — правильный запрос

прием кодовой комбинации происходит только в следующих случаях (отмечено двойными окружностями и двойными линиями):

• правильная (без ошибок) первая передача по прямому каналу и правильный прием сигнала подтверждения;
• обнаружение ошибки при первой передаче, правильный прием сигнала запроса, правильная вторая передача и правильный прием второго сигнала подтверждения;
• обнаружение ошибки при первой передаче, правильный прием сигнала запроса, обнаружение ошибки при второй передаче, пра­вильный прием второго сигнала запроса, правильная третья передача и т. п.

После этого система переходит к передаче следующей кодовой комбинации. В случае необнаружения ошибки при передаче по прямому каналу и правильному приему сигнала подтверждения (отмечено штриховой линией) к ПИ поступает информация с ошибкой и система переходит к передаче следующей кодовой комбинации. Если при необнаруженной ошибке в прямом канале происходит трансформация сигнала подтверждения в сигнал запроса в обратном канале.(отмечено штрихпунктирной линией), то система повторяет передачу той же кодовой комбинации, в результате чего происходит «вставка». Вставка может произойти и в том случае, когда при правильном приеме по прямому каналу в обратном канале сигнал подтверждения трансформируется в сигнал запроса.

Если при передаче по прямому каналу приемник обнаруживает ошибки и в обратном канале сигнал запроса трансформируется в сигнал подтверждения, передатчик выдает новое сообщение, а так как предыдущее сообщение стирается, то происходит «выпадение». Как видно на графе, вставки и выпадения могут происходить не только на первом цикле передачи кодовой

комбинации, но и на последующих.

Эти два явления, характерные для всех систем с ОС, получили общее название «сдвига».

На рис. 3.17 показана временная диаграмма работы системы с РОС-ОЖ с изменением сигнала в канале ОС. При ошибке в сигнале подтверждения (см. передачу кодовой комбинации 3) происходит вставка, при ошибке в сигнале переспроса (см. передачу кодовой комбинации 4) образуется выпадение. Для борьбы со сдвигами применяют различные способы. Наряду с общими методами повышения помехоустойчивости обратного канала наиболее радикальным оказался метод циклической нумерации передаваемых комбинаций. Используют две разновидности таких методов.

При первом методе передаваемые комбинации циклически нумеруются. Номер размещается в начале каждой комбинации или непосредственно за синхропоследовательностью, служащей для групповой синхронизации, и сохраняется за комбинацией до тех пор, пока она не будет правильно принята, т. е. при повторных передачах комбинации ее номер сохраняется.

Например, при передаче комбинаций 1, 2, 3, 4 и длине цикла нумерации, равного 3, в случае однократной передачи первой комбинации,

трехкратной—второй и двухкратной—третьей последовательности номеров в канале имеет следующий вид: a1,a2,a2,a2,a3,a3,a1,…, где a1,a2, a3—циклические номера комбинаций.

При втором методе все комбинации, которые передаются 1 раз, имеют один и тот же номер (например, ао) и только при повторениях производится циклическая нумерация, соответствующая числу повторений. Например, при трех циклических номерах, однократной передаче первой комбинации, двух повторениях второй, пяти—третьей и одном—четвертой последовательность циклических номеров в канале имеет следующий вид:

a0,a0,a1,a2,a0,a1,a2,a3,a1,a2,a0,a1,…

При обоих методах циклической нумерации приемник системы контролирует номера принятых комбинаций. В тех случаях, когда номер принятой комбинации предшествует ожидаемому, принятая комбинация стирается, а в канал ОС передается сигнал подтверждения. Рассмотренная ситуация возникает при трансформации сигнала подтверждения на предшествующую комбинацию в сигнал запроса, что в отсутствие циклической нумерации привело бы к вставке комбинации. Если номер принятой комбинации соответствует номеру следующей после ожидаемой, что соответствует трансформации «переспроса» в «подтверждение», то приемник системы вырабатывает специальный сигнал о выпадении комбинации. По этому сигналу передача может быть прекращена, зафиксирован факт наличия выпадения или произведен повторный запрос на повторение.

Эти выражения показывают, что при незначительных вероят­ностях ошибок рп.з и рз.п0 и соответственно рп.п и рз.з1 пара­метры обратного канала практически не сказываются на значени­ях верности, скорости передачи и временных характеристиках си­стемы.

Эффективность использования пропускной способности кана­ла связи в системах с РОС—ОЖ сравнительно невелика, так как прямой канал простаивает в промежутки времени между пере­дачами отдельных комбинаций в ожидании получения сигналов решения. Поэтому такие системы используют главным образом в тех случаях, когда определяющим является требование просто­ты (экономичности) аппаратуры. Стремление к более полному использованию каналов привело к разработке систем, в которых отсутствуют промежутки между передачей отдельных комби­наций.

1.1.2 Система с РОС и непрерывной передачей информации и блокиров-кой (РОС-НПбл)

Структурная схема системы РОС-НПбл аналогична схеме, представленной на рис. 3.13, алгоритм ее работы дан на рис. 3.20;

Рис. 3.20- Алгоритм работы РОС НПбл

А1 — запрос очередной комбинации от ИС; А2—запись очередной комбинации (информационной части) в Hпер емкостью h комбинаций; A3 — кодирование; А4 — передача по ПК; А5 — прием из ПК; А6 — декодирование и запись принятой комбинации (информационной части) в Нпр; А7 — выдача комбинации из Нпр к ПС; А8 — формирование сигнала подтверждения; А9 — формирование сигнала переспроса и блокировка ПС на А блоков; А10 — передача по обратному каналу: A11—прием из обратного канала; А12 — дешифрирование сигнала ОС; А13—стирание предыдущей комбинации из Нпер; А14—блокировка ИС и повторение передачи h комби­наций из Нпер

временные диаграммы – на рис. 3.21. Работа системы происходит следующим образом.

Рис. 3.21. Временные диаграммы работы системы ПД с РОС-НП бл:

При отсутствии сигнала переспроса к ИС от УУ идет сигнал готовности аппаратуры к передаче (ЗОК) и ИС соответственно выдает информационные комбинации (А1). Они поступают в ко­дер и одновременно запоминаются в накопителе Нпер емкостью h комбинаций (при отсутствии сигнала переспроса информации в Нпер заменяется, сдвигаясь каждый раз на одну комбинацию) (А2).

На приеме информационная часть очередной комбинации будет записана в Нпр и одновременно декодер так же, как и в системе с РОС-ОЖ, определит наличие или отсутствие ошибок в этой комбинации (АЗ...А6). Решающее устройство выдает со­ответствующий сигнал в УУ приемника ПК. Если ошибка не обнаружена, то УУ ст. Б формирует команду подтверждения, которая передается по обратному каналу и одновременно дает сиг­нал на вывод информационной комбинации из Нпр потребителю (А7, А8). Получая сигнал подтверждения, передатчик ст. А продолжает непрерывную передачу информации. Если же ошибка обнаружена, то УУ ст. Б формирует команду переспроса, переда­ваемую по обратному каналу на передатчик прямого канала ст. А (А9, А10).

При реализации такой системы возникают трудности, вызванные конечным временем передачи и распространения сигналов. Если в некоторый момент закончен прием комбинации, в которой обнаружена ошибка, то к этому моменту по прямому каналу уже ведется передача следующей комбинации. Если время распространения сигнала в канале превышает длительность комбинации, то к моменту окончания приема комбинации с ошибкой может закончиться передача одной или нескольких комбинаций, следующих за ней. Еще некоторое число комбинаций будет передано до того времени, пока будет принят и проанализирован сигнал пере­спроса по второй комбинации.

Так как передатчик повторяет лишь комбинации, по которым принят сигнал переспроса, то в результате повторения с запаздыванием порядок следования комбинаций, выдаваемых системой ПС, будет отличаться от порядка поступления комбинаций в систему. Но получателю комбинации должны поступать в том же порядке, в котором они передавались. Поэтому для восстановления порядка следования комбинаций в приемнике должны быть специальное устройство и буферный накопитель значительной емкости, поскольку возможны многократные повторения.

Во избежание усложнения и удорожания приемников системы с РОС-НП строят в основном таким образом, что после обнаружения ошибки приемник стирает комбинацию с ошибкой и блокируется на h комбинаций (т. е. не принимает h последующих комбинаций), а передатчик по сигналу переспроса повторяет h комбинаций (комбинацию с ошибкой и h—1 комбинаций, следующих за ней). Такие системы с РОС-НП получили название систем с блокировкой РОС-НПбл. Эти системы позволяют организовать непрерывную передачу кодовых комбинаций с сохранением порядка их следования. Поэтому одновременно с формированием сигнала переспроса УУ ст. Б блокирует (т. е. запрещает) вывод информации потребителю из Нпр на время, равное h комбинациям (оценка величины h рассмотрена ниже).

Временная диаграмма для данного случая может быть проанализирована на примере обнаружения ошибки в комбинации 12 (рис. 3.21). Получив сигнал переспроса по обратному каналу, УУ ст. А ожидает конца передачи последней комбинации, во время которой получен этот сигнал. Затем ИС блокируется также на время передачи h комбинаций, а из Нпер в это время в канал через кодер передаются хранящиеся в накопителе последние h комбинаций (в примере на рис. 8.14 это комбинации 12, 13, 14). После их передачи ИС опять получает разрешение на передачу очередных комбинаций. Таким образом, последовательность передаваемых и принимаемых комбинаций не нарушается.

В соответствии с вышесказанным определим необходимую емкость накопителя Нпер из следующих соображений: каждый принятый по обратному каналу на ст. А сигнал переспроса соответствует комбинации, которая была передана tож секунд тому назад (см. рис. 3.21). Следовательно, для того чтобы начать повторную передачу с комбинации, в которой была обнаружена ошибка, необходимо в накопителе Нпер хранить информацию за последние (tбл+tож) секунд до момента получения сигнала переспроса. Таким образом, емкость накопителя

h (tож-tбл) /tбл или h 1+tож/tбл,

где tож+2tp+tан +tОС+tаОС

Так как h не может быть дробным числом, то h 2+Е[tож/tбл], где Е[а] —символ целой части а.

Рассмотренные системы РОС являются односторонними, так как передача информации ведется только в одну сторону: от ст. А к ст. Б. При работе по четырехпроводным каналам имеется возможность одновременной Передачи информации в двух направлениях.

Это оказывается возможным благодаря тому, что переспросы в системе с РОС-НПбл происходят сравнительно редко и подавляющую часть времени обратный канал может быть использован для передачи.

1.1.3 Система с РОС и адресным переспросом РОС-АП

Во всех рассмотренных выше системах с РОС с целью обеспечения сохранения порядка следования кодовых комбинаций в принимаемом сообщении для определения местоположения забракованной комбинации используется момент прихода служебной комбинации БП. При каждом переспросе повторно передается минимально одна комбинация (например, в системе с РОС-ОЖ) или блок из нескольких кодовых комбинаций (например, в системе с РОС-НПбл). Так как при передаче сообщений с большой скоростью модуляции и на большие расстояния обычно используются системы с РОС-НПбл, то скорость передачи в таких системах при больших значениях h резко уменьшается при росте вероятности обнаруживаемых ошибок, так как при этом резко возрастает число переспросов. Для уменьшения объема информации, повторяемой при переспросах, были разработаны системы с РОС и адресным переспросом (РОС-АП). В этих системах передача информации осуществляется блоками и в приемнике имеется память на весь блок с регистрами для каждой комбинации. Приемник системы РОС-АП вырабатывает сигнал переспроса адресов (условных номеров) комбинаций, в которых обнаружены ошибки, т. е. осуществляет адресный переспрос. В соответствии с этими адресами передатчик повторяет только забракованные комбинации, а не весь блок.

Структурная схема системы РОС-АП представлена на рис. 3.24, а ее алгоритм—на рис. 3.25.

Рис. 3.24. Структурная схема системы ПДС с РОС-АП

По сигналу запроса сообщение от ИС поступает блоком из т комбинаций (А1). Сообщение на ст. А кодируется кодером, направляется в прямой канал связи и одновременно записывается в накопитель Нm пер емкостью т комбинаций (А2, A3). Принятое на ст. Б сообщение сначала по одной комбинации записывается в приемный накопитель Hi емкостью в одну комбинацию (А4— А5) и декодируется (А6, А7). Если при декодировании комбинации ошибки не обнаруживаются, то УУпр переписывает комбинацию из H1 в накопитель Hm пр емкостью т комбинаций (А8). При этом комбинация размещается в регистре, который соответствует ее месту (номеру) в блоке данных. Если же фиксируется наличие ошибки, то УУпр стирает комбинацию из накопителя H1 и соответствующий этой комбинации регистр в Нт пр остается свободным. Номера комбинаций с ошибками запоминаются в Надр.И. После окончания приема всего блока адреса искаженных комбинаций (2 и 5 на рис. 3.26) по команде УУпр через шифратор сигналов обратной связи ШСОС передается по обратному каналу ;(А9, А10, А13, А14). В передатчике ст. А они после дешифратора ДСОС запоминаются в накопителе адресов запрошенных блоков Надр.З (А15...А17). Под управлением УУпер в соответствии с этими адресами из Нm пер по прямому каналу передаются нужные комбинации с адресами. Источник информации при этом соответственно блокируется УУпер (А18...А20).

Принятые на ст. Б повторенные комбинации опять проверяются на наличие ошибок, а сопровождающие их адреса записываются в Надр.И и сравниваются с адресами искаженных комби­наций (А21, А22). Если ошибок ни в адресах, ни в комбинациях нет, то принятые комбинации записываются в соответствующие регистры Нm пр (А23). Если обнаруживается ошибка в адресе или в комбинации, то процесс переспроса повторяется.

Рис. 3.25. Алгоритм системы ПД с РОС-АП:

А1 — запрос очередного блока комбинаций от ИС; А2 — запись очередного блока в Нm пер; A3 — кодирование; А4 — передача по прямому каналу связи ПК; А5 — прием из ПК; А6— декодирование; А7—запись одной комбинации (информационной части); в H1; A8—запись комбинации в Нm пр из H1; A9—контроль конца передачи блока комбинаций; А10—проверка занятости регистров Нm пр; All—выдача блока из Нm пр к ПС; А12—формирование сигнала подтверждения; А13 — формирование сигнала переспроса с адресами искаженных комбинаций и запрещение выдачи блока комбинаций из Нm пр к ПС; А14 — передача по обратному каналу; А15—прием из обратного канала; А16—дешифрование сигнала ОС; А17—стирание предыдущего блока комбинаций в Надр.З; А18—блокировка ИС и запись адресов запрещенных комбинаций в Надр.И; А19—извлечение из Нm пер комбинации по принятым адресам; А20 — повторение передачи запрошенных комбинаций с адресами; А21 - запись адресов повторенных комбинаций в Надр.И; А22 — сравнение адресов искаженных комбинаций с адресами в Надр.И и определение ошибки в повторенных комбинациях; А23—определение адреса комбинации с ошибкой, запись адреса в Надр.И и стирание комбинация из H1

Рис. 3.26. Временная диаграмма работы системы ПД с РОС-АП

Когда все регистры накопителя Hm np будут заполнены, что свидетельствует о правильном приеме всего блока (или с необнаруженной ошибкой), то УУпр формирует и передает по обратному каналу сигнал подтверждения, а информация из Hm np выдается ПС (All, A12). Получив сигнал подтверждения, УУпер разрешает ИС выдать очередной блок информационных комбина­ций и стирает предыдущий блок в Hm np.

Выражения для расчета скорости передачи и вероятности ошибочного приема комбинации в системе с РОС-АП при идеальном обратном канале получается аналогично тому, как это было сделано выше для системы с РОС-ОЖ, а именно:

,

где tср—среднее время, затрачиваемое на переспросы и ожидание сигнала подтверждения при передаче одного блока из m комбинаций.

Достоинством систем с РОС-АП помимо уменьшения потерь времени на повторения, является практически полная независимость (при условии накопителя большой емкости) от длины линии, что особенно существенно, например, при передаче по космическим каналам связи (через ИСЗ). Кроме того, если потребитель информации допускает браковку нескольких знаков в ко­дограмме при условии указания адресов забракованных знаков, то системы с РОС-АП позволяют обеспечить при этом более эффективное использование пропускной способности канала по сравнению с системами с РОС-НП. Действительно, в системах с РОС-НП, несмотря на наличие указанного допущения, число забракованных знаков путем переспросов все равно будет дово­диться до нуля, а в системах с РОС-АП алгоритм может быть построен так, что подтверждение на прием блока (квитанция) будет выдаваться в том случае, когда число забракованных зна­ков в кодограмме не превышает установленного ПС предела.

Недостатком систем с РОС-АП является более сложный ал­горитм обработки информации в передатчике и приемнике аппа­ратуры ПД по сравнению с алгоритмом систем с РОС-НП и, как следствие, большая сложность технической реализации. Кроме то­го, трансформация служебных команд информационных кодовых комбинации в служебные и обратная трансформация служебных команд могут приводить к искажениям сообщений, вставкам и выпадениям. Поэтому применяются меры по защите служебных команд от искажений, что влечет за собой некоторое снижение скорости передачи информации. В связи с вышеизложенным при­менение систем с РОС-АП экономически было оправдано толь­ко на линиях большой протяженности и с высокой вероятностью ошибок.

Применение программных методов позволяет преодолеть связанные со сложностью алгоритма недостатки, что открыло дорогу внедрению систем РОС-АП в практику.

Перейдём теперь к различиям в способах коммутации пакетов, т.е. реализации 3-го уровня ЭМВОС. Здесь различия наиболее существенные.

В архитектуре МСЭ-Т за маршрутизацию (доставку пакетов по адресу) отвечает третий (сетевой) уровень (Рек. Х.25). Предусматривается создание виртуальных соединений или каналов от источника до получателя, а затем по этому соединению передаются пакеты. Такой режим называется виртуальным режимом КП и по принципам напоминает традиционную коммутацию каналов (КК). В архитектуре TCP/IP реализуется другой подход, называемый дейтаграммным режимом КП. Этот режим резко упрощает задачу маршрутизации, но порождает проблему сборки сообщений из пакетов, т.к. пакеты одного сообщения могут доставляться по разным маршрутам и поступать к получателю в разное время. Дейтаграммный режим КП по принципам напоминает коммутацию сообщений (КС).

1.1.4 Коммутация каналов и пакетов

Рассмотрим разницу между видами коммутации, используемыми в современных сетях.

В результате любого установления соединения в сети с коммутацией каналов появляется отдельный физический коммуникационный канал, соединяющий аппаратуру вызвавшего и вызванного абонентов и используемый в течение всего периода вызова иск­лючительно двумя указанными абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить коммутируемая телефонная сеть общего пользования (КТСОП); все соединения, установленные с помощью КТСОП, являются фактически соединениями типа коммутации каналов.

В контексте передачи данных для соединения коммутацией каналов ха­рактерна эффективность обеспечения пользователей каналом, обладающим фиксированной скоростью передачи данных, что вынуждает обоих абонентов работать с той же скоростью. Кроме того, прежде чем передавать данные по такому соединению, необходимо сначала установить само это соединение в сети. В настоящий момент время, требуемое для установления соединения в КТСОП, относительно велико (десятые доли секунды), что обусловлено типом аппаратуры, используемой в каждом коммутаторе. Поэтому при передаче дан­ных сначала устанавливают соединение, которое затем держат открытым на период всей транзакции. Однако с появлением новых управляемых компьютерами коммутаторов в сочетании с применением цифровой передачи по всей сети время установления соединения в КТСОП станет значительно короче (десятые доли миллисекунды). Более того, распространение цифровой пере­дачи и на аппаратуру абонента означает, что на выходных точках каждого абонента станут доступны высокоскоростные (порядка 64 кбит/с и выше) коммутируемые тракты передачи данных. Поэтому станет возможным при­менение аппаратуры пользователя, не прибегая к модемам. Образованную в результате цифровую КТСОП можно рассматривать и как сеть данных с коммутацией каналов СДКК. Поскольку такая сеть может обеспечить цифровое представление как речи (голоса чело­века), так и данных, то она может рассматриваться и как цифровая сеть с интеграцией услуг (ЦСИУ).

Хотя время установления соединения в полностью цифровой сети с ком­мутацией каналов сравнительно невелико, все же получающееся в результате соединение обеспечивает только фиксированную скорость передачи данных, с которой оба абонента должны передавать и получать данные. В отличие от этого в сетях с коммутацией пакетов два взаимодействующих абонента (ООД) могут функционировать с различной скоростью, так как скорость, с которой данные передаются через интерфейс в сеть, независимо определяется аппара­турой каждого из абонентов. Кроме того, в сетях с коммутацией пакетов ника­кое физическое соединение не устанавливается. Вместо этого исходный ООД сначала собирает все подлежащие передаче данные в один или несколько блоков сообщений, называемых пакетами; эти пакеты содержат сетевые адре­са и исходного, и приемного ООД. Затем исходный ООД передает последова­тельно эти пакеты своему локальному центру с коммутацией пакетов (ЦКП). Последний, получив каждый пакет, сначала записывает его в свою память (запоминает пакет), а потом исследует содержащийся в пакете адрес требуе­мого получателя. Каждый ЦКП содержит справочник маршрутов, специфици­рующий выходные пути (звенья данных) каждого сетевого адреса. Таким обра­зом, ЦКП, получив пакет, продвигает его дальше по соответствующему звену с максимально возможной скоростью. Этот режим функционирования называ­ют часто режимом передачи пакетов с промежуточным накоплением.

Аналогично по мере того, как каждый пакет поступает (и запоминается) в каждый из расположенных вдоль выбранного маршрута ЦКП, он передается по требуемому звену вперемежку с другими пакетами. После поступления в конечный ЦКП, определяемый по содержащемуся в пакете адресу получате­ля, пакет передается приемному ООД.

Описанную процедуру иллюстрирует рисунок3.1. Как видно из него, каждая полная транзакция занимает лишь (случайную) долю времени передачи каж­дого звена, так как пакеты от одного источника перемежаются на различных звеньях с пакетами от других источников. В крайних случаях требуемое время передачи транзакции по звену колеблется от нуля, когда пользователь не передает никаких данных, до непрерывной передачи данных.

Как видно из рисунок 3.1, может возникнуть ситуация, при которой в ЦКП одновременно по разным звеньям прибывают несколько пакетов, причем все они должны быть переданы по одному и тому же звену. Очевидно, что если несколько особенно длинных пакетов ждут передачи по одному и тому же звену, то другим пакетам придется ждать непредсказуемо долго. Во избежание таких ситуаций и, следовательно, для обеспечения устойчиво быстрого ответа уста­навливается максимально допустимая длина пакета. Именно по этой причине при использовании сетей с коммутацией пакетов сообщение, поступающее внутри ООД в транспортный уровень, может быть перед отправкой сначала расчленено исходным элементом транспортного протокола на более мелкие порции; наоборот, в приемном ООД корреспондирующий элемент транспорт­ного протокола соберет эти порции в одно сообщение. Конечно, все это должно быть прозрачно для пользователя транспортного уровня.

Другое отличие между СДКП и СДКК заключается в том, что в СДКК сеть не позволяет управлять ошибками и потоком передаваемых данных и, следо­вательно, это должно быть реализовано самим пользователем. Наоборот, в СДКП сетевые ЦКП обеспечивают в каждом звене сложные процедуры управ­ления ошибками и потоком, а потому класс служб СДКП значительно выше класса служб СДКК.

Из приведенных рассуждений можно заключить, что для коммутации па­кетов и каналов пользователи задействуют службы двух разных типов. Следо­вательно, даже в полностью цифровых сетях следует применять оба типа служб, выбор которых будет зависеть от самого пользователя.

Рис. 3.1-Схема коммутации пакетов

1.1.5 Датаграммы и виртуальные каналы

Как правило, СДКП обеспечи­вает два режима обслуживания: датаграмм и виртуального вызова (канала). Разница между ними аналогична разнице между обменом сообщениями по­средством посылки писем и посредством телефонного вызова. В первом случае письмо, содержащее сообщение, рассматривается почтовым ведомством как самостоятельный элемент, поставка которого независима от любых других писем. В случае же телефонного вызова сначала в сети устанавливается ком­муникационный путь и только потом имеет место обмен сообщениями.

Служба датаграмм аналогична посылке сообщений с помощью писем, так как каждый пакет, поступающий в сеть, рассматривается как самостоятель­ный, замкнутый элемент, никак не связанный с другими пакетами. Каждый пакет просто принимается и передается дальше только что описанным мето­дом, и, следовательно, служба датаграмм используется главным образом для передачи коротких однопакетных сообщений.

Рисунок 3.2- Логические каналы и виртуальные вызовы

Если пакет содержит несколько сообщений, то, как правило, применяется виртуальный вызов. Он аналогичен передаче сообщений с помощью телефон­ного вызова, так как до посылки какой-либо информации (пакетов данных), связанной с вызовом, исходный ООД сначала передает своему локальному ЦКП специальный пакет запроса, который помимо сетевого адреса приемного ООД содержит определенный номер, называемый идентификатором логиче­ского канала (ИЛК). Сначала ЦКП отмечает у себя этот идентификатор, а потом, как и ранее, передает пакет дальше по сети. В приемном ЦКП пакету запроса на вызов присваивается новый ИЛК, после чего пакет передается затребованному приемному ООД. Далее, если вызов принят, вызывающему ООД возвращается соответствующий ответный пакет. Говорят, что в этот мо­мент между двумя ООД установлен виртуальный вызов. Затем наступает фаза передачи данных и всем последующим пакетам данных, связанным с этим вызовом, на каждом из интерфейсов подключения к сети присваиваются те же идентификаторы. Данным способом и исходный, и приемный ООД могут легко различать пакеты, поступающие по одному и тому же звену, но принадлежа­щие разным вызовам. Таким образом, пакеты, принадлежащие одному и тому же вызову, могут быть переданы пользователю (транспортному уровню) в том же порядке, в котором они были введены. Связь между логическим и виртуаль­ным каналами можно проследить по рисунку 3.3.

Может показаться, что виртуальный канал совпадает с соединением, ус­тановленным в сети с коммутацией каналов; между тем виртуальный канал, как это следует из самого названия, — чисто концептуальное понятие. Более того, поскольку СДКП может дополнительно использовать процедуры управ­ления потоком и ошибка-ми как на пакетном уровне, так и на уровне звена, класс служб, поставляемых виртуальным каналом, очень высок. Это обеспечивает очень высокую вероятность того, что все пакеты, относящиеся к некоторому конкретному вызову, будут доставлены без ошибок, в правильном порядке и без дубликатов. Обычно после обмена всеми данными, связанными с вызовом, виртуальный канал и соответствующие идентификаторы логического канала освобождаются. Однако виртуальный канал может быть сохранен, так что пользователь, нуждающийся в частом общении с другим пользователем, не будет вынужден устанавливать виртуальный канал каждый раз заново. Это называется постоянным виртуальным каналом, и хотя пользователь должен платить за это средство, стоимость каждого вызова определяется только объ­емом переданных данных. Как отмечалось выше, для сетей с коммутацией каналов, как правило, плата зависит от дальности и длительности вызова.

Одним из старейших методов передачи данных является использование выделенных каналов связи [7]. Оператор связи выделяет фиксированный канал, который постоянно доступен для передачи данных с определенной скоростью. Изначально выделенные каналы связи использовались только для осуществле­ния связи между двумя точками (то есть для связи типа точка-точка). Однако в настоящее время применение интеллектуальных устройств, таких как маршру­тизаторы, позволяет осуществлять динамическое управление полосой пропус­кания между несколькими пользователями, что необходимо при организации связи двух локальных сетей.

Проведём сравнения виртуального и дейтаграммного методов КП по следующим характеристикам:

• установление соединения;
• адресация;
• процедура передачи пакета по сети;
• управление входным потоком сообщений;
• эффективность использования сетевых ресурсов.

Установление соединения. При виртуальной КП до передачи сообщения устанавливается логическое соединение между взаимодействующими объектами транспортного уровня (а возможно и более высоких уровней ЭМВОС). Этот логический канал запоминается в маршрутных таблицах всех центров коммутации пакетов (ЦКП), которые участвуют в соединении. Пакеты передаются только по установленному логическому каналу, поэтому порядок их следования при этом не нарушается.

При дейтаграммной КП логического соединения не устанавливается, поэтому пакеты одного сообщения передаются по тем маршрутам, которые оптимальны в данный момент, т.е. возможно разными маршрутами. Проблема сборки сообщения из пакетов решается на транспортном уровне (4 уровень по ЭМВОС).

Адресация. При виртуальном режиме КП полный адрес объекта-получателя передаётся только при установлении логического соединения, т.е. с первым пакетом. Получив этот пакет, объект-получатель извещает отправителя о согласии на проведение сеанса связи (или несогласии). Создаётся логическое соединение и передаются остальные пакеты, содержащие только номер логического канала.

При дейтаграммном режиме КП каждый передаваемый пакет обязательно должен содержать полный адрес получателя (и отправителя) и номер пакета в сообщении.

Передача пакета по базовой сети ПД. Виртуальный режим КП предусматривает выделение специальной базовой сети передачи данных (ПД) и передачу пакетов в этой сети ПД по готовому логическому каналу, создаваемому по инициативе транспортного уровня.

При дейтаграммном режиме каждый пакет передаётся по разным маршрутам, что позволяет эффективнее использовать сетевые ресурсы, т.к. в больших сетях загрузка каналов меняется очень быстро, поэтому маршрут доставки желательно корректировать чаще. В данном случае можно построить глобальную сеть без выделения отдельной базовой сети ПД.

Управление входящим потоком. При виртуальном режиме КП управление потоком входящих сообщений (но не пакетов) возможно лишь на входе виртуального канала, т.е. на конкретном центре коммутации пакетов для данного сообщения.

Дейтаграммный режим КП является более гибким и позволяет управлять входящим потоком сообщений практически с любого ЦКП, что улучшает гибкость управления.

Эффективность использования сетевых ресурсов. В виртуальном режиме КП оптимальный маршрут выбирается только в момент установления логического соединения, поэтому при быстром изменении ситуации на сети путь, оптимальный для первого пакета сообщения, может быть не оптимальным для последующих пакетов одного и того же сообщения.

При дейтаграммном режиме коррекция маршрута производится чаще, что позволяет более равномерно загрузить каналы всей сети и, в конечном счёте, уменьшить время доставки сообщения.

1.2. Анализ приложений сетевых архитектур

Сфера применения архитектур Х.200 и TCP/IP определяется их свойствами, которые порождают основные достоинства и недостатки используемых сетевых архитектур.

Так к основным достоинствам архитектуры МСЭ-Т следует отнести:

• возможность реализации сетей даже на плохих каналах связи, за счёт развитой системы защиты от ошибок и сбоев;
• возможность работать в реальном масштабе времени, простота реализации режима диалога и передачи речи в цифровой форме, поскольку задержки в доставке пакетов одного и того же сообщения незначительны;
• высокая степень стандартизации протоколов на всех уровнях, что упрощает построение ИВС заданных размеров с требуемыми показателями качества обслуживания.

Недостатки архитектуры МСЭ-Т следующие:

• высокая избыточность за счёт большого объёма необходимой служебной информации;
• необходимость реализации большого набора достаточно сложных протоколов взаимодействия, причём отсутствие хотя бы одного протокола приводит к невозможности передачи данных;
• существенные трудности при организации взаимодействия различных сетей, особенно при различной сетевой архитектуре.

Рассмотрим теперь основные достоинства и недостатки архитектуры TCP/IP.

Достоинства архитектуры TCP/IP:

• небольшие затраты на реализацию протоколов взаимодействия за счёт меньшего набора требуемых протоколов;
• существенное упрощение процедуры маршрутизации, что снижает стоимость базовой сети передачи данных за счёт использования более простых ЦКП;
• возможность построения крупномасштабной ИВС с использованием разнотипного оборудования;
• возможность реализации взаимодействия различных сетей с применением простых алгоритмов согласования.

К недостаткам архитектуры TCP/IP можно отнести:

• возможность реализации только при использовании «хороших» каналов связи (желательно выделенных);
• необходимость решения проблемы сборки пакетов, которые могут поступать на транспортный уровень в произвольном порядке;
• возможность потери сообщения из-за несвоевременной доставки одного из пакетов этого сообщения;
• усложнение прикладных программ пользователя за счёт введения процедур контроля и исправления ошибок в получаемых сообщениях.

Теперь, опираясь на проведённый анализ, можно определить сферу применения сетевых архитектур.

Сетевая архитектура МСЭ-Т эффективна при применении «плохих» каналов связи, необходимости работы в реальном масштабе времени и однородной структуре оборудования, причём основным выступает качество каналов связи. Поэтому у нас получили распространение сети с использованием архитектуры МСЭ-Т (например, сеть РОСПАК).

При построении глобальных сетей, когда решающим фактором выступает простота согласования работы различных национальных сетей, реализуемых, как правило, на разнотипном оборудовании, наиболее эффективно применение архитектуры TCP/IP, данный вывод подтверждается практикой, т.к. в Internet используют именно архитектуру TCP/IP.

Контрольные вопросы по главе

1. Каковы основные требования к сетевым архитектурам?
2. Проведите сравнение сетевых архитектур по стекам протоколов.
3. Проведите сравнение архитектур Х.200 и TCP/IP по идеологии защиты от ошибок.
4. Проведите сравнение виртуального и дейтаграммного режимов КП.
5. Дайте анализ достоинств и недостатков сетевых архитектур Х.200 и TCP/IP. Приведите область их применения.

2. АРХИТЕКТУРА ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ Internet

2.1. Общие сведения. История появления Internet

Internet является крупнейшей в мире некоммерческой структурой и представляет собой объединение национальных сетей с целью достаточно быстрой доставки информации между пользователями, расположенными практически в любой точке Земного Шара.

Дословно термин «Internet» означает «между сетей». Это отражает основную функцию Internet — объединение не только отдельных ЭВМ (хост-машин), но и обеспечение связи между различными сетями в глобальном масштабе. Это объединение даёт возможность обмена информацией между всеми ЭВМ, входящими в сети, подключённые к Internet. При этом не важно в какой операционной системе работают хост-машины (Windows, UNIX и т.п.).

Определение. Internet — сеть, объединяющая отдельные локальные, региональные, национальные и глобальные сети.

Сеть Internet начала своё существование в 1982 году, когда были объединены такие крупнейшие национальные сети, как ARPANET, NFSNET и ряд других государственных сетей США, причём основной являлась ARPANET.

Сеть ARPANET была принята в эксплуатацию в 1969 году для целей министерства обороны США и обеспечила объединение больших и супер-ЭВМ военных и научно-исследовательских центров. В середине 70-х годов правительство США и крупные научно-исследовательские фонды начали развитие крупной компьютерной сети NFSNET, которая объединила ведущие научно-исследовательские центры и университеты США, затем к ним подключилась и организация по проведению космических исследований NASA.

Объединение ARPANET и NFSNET послужило началом создания Internet, причём логической основой (сетевой архитектурой) выступили протоколы сети ARPANET, т.е. TCP/IP. Сейчас Internet составляют 11000 различных национальных сетей, связывая более 1 млн. ПЭВМ различных типов в 110 странах мира. Более 10 млн. пользователей регулярно используют ресурсы Internet, а число получающих сообщения через эту сеть достигает 20 млн. человек.

Сама сеть Internet не имеет владельца, однако, она соединяет множество сетей ЭВМ, которые имеют своих владельцев. Многие из таких сетей ЭВМ (либо отдельные хост-ЭВМ) предоставляют на коммерческой основе различную информацию, полезную во многих сферах жизнедеятельности человека. Эта информация накапливается в информационных банках национальных сетей, а доступ обеспечивается средствами Internet, что, собственно, и обеспечивает всемирную популярность Internet.

Кратко рассмотрим основные службы Internet. Самой массовой и простой службой Internet является электронная почта (e-mail), которая по принципам работы во многом напоминает обычную почту.

Другая служба — служба телеконференций USENET. Фактически это набор различных групп пользователей по интересам, где возможно обсуждение практически любых вопросов (литература, наука и т.д.).

Следующей мощной службой Internet являются системы доступа к библиотечным банкам данных. Так через сеть Internet можно получить доступ к Большой Британской Энциклопедии, библиотеке Конгресса США, а также к основным библиотекам университетов всего мира, что позволяет найти практически любую информацию, которая имеется в книгах, журналах, статьях, диссертациях и т.д.

Следующей службой является технология World Wide Web (дословно «всемирная паутина»), которая с помощью гипертекстовой системы обеспечивает удобный графический интерфейс практически любой информации.

Другой мощной службой Internet является доступ к FTP-архивам, которые содержат различное программное обеспечение.

Наиболее «старым» сервисом является служба Telnet, которая обеспечивает интерактивный доступ к удалённым вычислительным ресурсам, причём пользователь воспринимает работу на удалённой ЭВМ, как взаимодействие со своей ПЭВМ.

В последнее время Internet реализует некоторые чисто коммерческие службы, например, заказ товаров, резервирование авиабилетов, доставка подарков и т.д.

В разделе 3 сервисные возможности Internet будут рассмотрены подробнее.

Как уже отмечалось, Internet не имеет владельца, поэтому расчёт за услуги этой сети производится с хозяином информационных ресурсов, ну и конечно оплачиваются используемые связные ресурсы национальной сети.

2.2. Обобщённая структура сети Internet

Все сети, входящие в состав Internet делятся на три класса:

• локальные вычислительные сети. Они обозначаются — LAN (Local Area Network);
• региональные (корпоративные) сети, обозначаются — MAN (Metropolitan Area Network);
• глобальные национальные вычислительные сети, обозначаются — WAN (Wide Area Network).

Если ЛВС имеет непосредственное подключение к Internet, то каждая рабочая станция ЛВС тоже имеет выход в Internet.

Определение. ЭВМ, имеющая самостоятельное подключение к Internet, называется хост-машиной или просто хост (от английского host — хозяин).

Каждая хост-машина получает в Internet свой адрес, по которому эту ЭВМ можно найти практически из любой точки мира.

Таким образом, Internet представляет собой совокупность взаимосвязанных хост-машин и локальных вычислительных сетей (ЛВС).

В архитектуре Internet отдельные сети (ЛВС, региональные и глобальные) соединяются друг с другом специальными устройствами — коммутаторами IP-пакетов.

Определение. Устройства объединения сетей в рамках Internet называются IP-шлюзами, или IP-маршрутизаторами, или (чаще) Router.

Шлюзы обычно реализуются программно на ПЭВМ общего назначения. Шлюз подключается к двум или более сетям, каждая из которых воспринимает этот шлюз как хост-ЭВМ. Поэтому шлюз имеет физический интерфейс и специальный IP-адрес в каждой из подключаемых сетей. Передача пакетов требует от шлюза определение IP-адреса следующего шлюза или, на последнем участке, IP-адреса хост-машины, которой направляется IP-пакет. Функция шлюза, которая обычно называется маршрутизацией, основана на анализе специальных маршрутных таблиц (матриц маршрутов), которые находятся в специальной базе данных. База данных в каждом из шлюзов должна постоянно обновляться, чтобы отражать текущую топологию сети Internet.

На рис. 2.1. представлена обобщённая структура Internet, где показано подключение различного вида сетей к глобальной сети.

Как видно из рис. 2.1, с помощью IP-шлюзов могут быть объединены сети произвольной топологии, одноранговые (кольцевая ЛВС) и с выделенным файл-сервером (шинная ЛВС на рис. 2.1), хост-машина и MAN, кроме того, все эти объекты подключаются к глобальной сети, например, Internet.

Обозначения:

LAN — локальная вычислительная сеть; MAN — региональная ИВС; WAN — глобальная ИВС;
WS (Work Station) — рабочая станция ЛВС; FS (File Server) — файл-сервер; Router — IP-маршрутизатор (шлюз/ЦКП).

Рис. 2.1. Фрагмент сети Internet

Основные протоколы семейства TCP/IP приведены на рис. 2.2. Согласно рис. 2.2 одни протоколы верхнего уровня (например, Telnet и FTP) зависят от ТСР, а другие (например, TFTP и RPS) — от UDP. Большинство из них используют только один из этих транспортных протоколов, но некоторые (например, DNS) — оба.

2.3. Система адресации в Internet

К адресам всех хост-машин, подключённых к Internet, предъявляются следующие требования:

• все адреса должны допускать автоматическую обработку;
• адреса должны содержать хотя бы минимальную информацию об их владельце.

По приведённым причинам в Internet у каждой хост-машины имеется два адреса: это дружественный (удобный) для ЭВМ цифровой IP-адрес и дружественный пользователю доменный адрес. Обе системы адресов применяются равноценно.

2.3.1. Система IP-адресов (цифровые адреса)

IP-адрес является некоторым числом, выраженным в двоичной системе. Этот адрес содержит 4 байта или 32 двоичных разряда. Принято каждый байт адресной последовательности записывать в виде десятичного числа, например, IP-адрес одной из хост-машин Российского научного центра — «Курчатовский институт», выглядит следующим образом: 144.206.160.32.

Каждое из этих чисел содержит определённую адресную информацию: адрес сети и номер хост-ЭВМ.

Существует 5 классов IP-адресов, которые описываются количеством разрядов в сетевом номере и номере хост-ЭВМ. Класс адреса определяется значением его первого байта. В табл. 2.1. приведены существующие классы IP адресов.

Обозначения:

NFS — Network File System — сетевая файловая система; NNTP — Network News Transfer Protocol — протокол сетевой передачи новостей; РОР — Post Office Protocol — протокол почтового отделения; TELNET — Terminal Networking — протокол и программные средства, позволяющие подключаться к удалённой машине и работать с ней через эмулируемый терминал; SMTP — Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол электронной почты; FTP — File Transfer Protocol — протокол передачи файлов; RPC — Remote Procedure Call — вызов удалённых процедур; DNS — Domain Name Service — служба именования доменов; TFTP — Trivial File Transfer Protocol — простейший протокол передачи файлов; SNMP — Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью; TCP — Transmission Control Protocol — протокол управления передачей данных; UDP — User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм; EGP — Exterior Gateway Protocol — протокол внешней маршрутизации; BGP — Border Gateway Protocol — протокол граничных маршрутизаторов; IP — Internet Protocol — межсетевой протокол; ICMP — Internet Control Message Protocol — межсетевой протокол управляющих сообщений; IGP — Interior Gateway Protocol — внутренний протокол маршрутизации; GGP — Gateway to Gateway Protocol — протокол маршрутизатор–маршрутизатор; RIP — Routing Information Protocol — протокол для передачи маршрутной информации; “Hello” — реализация протокола внутренней маршрутизации; OSPF — Open Shortest Path First — открытый протокол предпочтения кратчайшего пути; IS-IS — Intermediate System to Intermediate System Protocol — протокол маршрутизации, выполняющий маршрутизацию данных IP и МОС; ARP — Address Resolution Protocol — протокол преобразования адресов; RARP — Reverse Address Resolution Protocol — протокол обратного преобразования адресов; Х.25/3 — протокол пакетного уровня сети передачи данных; IEEE 802 — Institute of Electrical and Electronics Engineers 802 — Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике 802; SLIP — Serial Line Internet Protocol — межсетевой протокол для последовательного канала; РРР — Point-to-Point Protocol — протокол точка–точка; Frame Relay — сетевой механизм для быстрой пересылки кадров; ATM — Asynchronous Transfer Mode — режим асинхронной пересылки; Х.25/2 (LAP-B) — протокол для управления передачей кадров (Link Access Procedures Balanced — сбалансированные процедуры доступа к каналу); Х.20; Х.20 bis — сопряжение оборудования обработки данных с асинхронными модемами; Х.21; Х.21 bis — сопряжение оборудования обработки данных с синхронными модемами.

Рис. 2.2. Основные протоколы семейства TCP/IP

Таблица 2.1.

Класс	Диапазоны значений первого байта	Возможное количество сетей	Возможное количество хостов
А	1126	126	16 777 214
В	128191	16 382	65 534
С	192223	2 097 150	254
D	224239	—	—
E	240247	—	—