Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Современная информатика

4.4. Глобальные вычислительные сети, методы доступа, современное состояние н ближайшие перспективы

Глобальные или всемирные сети (GAN - Global Area Network) предназначены для связи абонентов, расположенных в различных географических регионах, и включают в себя множество сетей различной протяженности - материковые (WAN - Wide Area Network), региональные или городские ГВС (MAN - Metropolitan Area Network), а также локальные (LAN - Local Area Network), о которых будет сказано отдельно, гак как они имеют ряд принципиальных отличий от перечисленных выше, кампусная сеть, объединяющая локальные сети, близко расположенных зданий (CAN - Campus* Area Network).

Особый вид сетей - так называемые корпоративные (EWN - Enterprise Wide Network). Термин «корпоративная» отражает, с одной стороны, величину сети, гак как корпорация - крупное большое предприятие. С другой стороны, этот термин несет в себе смысл объединения, т.е. корпоративная сеть - сеть, получившаяся в результате объединения нескольких, как правило, разнообразных сетей. Кроме этого дух корпоративности - дух некоторого единства, общности, в этом смысле корпоративные сети - сети, в которых неоднородные компоненты живут в единстве и согласии. Эти сети могут включать в себя все перечисленные выше типы сетей, сложно связаны и могут покрывать г ород, регион или даже континент.

В глобальных вычислительных сетях (ГВС) на первый план выходят администрация сети и средства связи, гак как именно они составляют основную эксплуатационную стоимость сети. В сеть объединяются большие и суперкомпьютеры, а также центры с многомашинной структурой. В качестве абонентских пунктов, как правило, используются персональные компьютеры, в качестве каналов

Campus - студенческий городок.

связи - традиционные средства телекоммуникаций (телеграфнотелефонные линии, оптоволоконные каналы, спутниковые каналы, радиорелейная связь и т.п.). Топология сетей имеет сложную разветвленную структуру.

В качестве методов доступа (протоколов нижнего уровня) обычно используют коммутацию цепей, коммутацию пакетов, селекцию макетов. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки этих методов.

1. Принцип коммутации цепей - традиционная коммутируемая телефонная связь. На рис. 4.9 представлена схема установления связи между двумя абонентами при таком методе доступа (эту схему следует рассматривать с учетом рис. 4.1, 4.2 и 4.3).

Как видно из рисунка, каждый разговор или передача данных резервирует на время некоторую часть сети, отводимую переключающим устройством (коммутатором). При этом два абонента соединяются напрямую одной цепью. Главное достоинство этого способа - повсеместное распространение персональных телефонных линий. Однако он имеет целый ряд недостатков:

низкая эффективность использования сети (если среднестатистический человек произносит в минуту 12-20 слов, что соответствует примерно 30 бодам , то пропускная способность каналов составляет от 2400 до 10 бод и более); проводя аналогию, американцы говорят, что такой способ подобен перекрытию одной полосы шоссе № 61 Нью-Йорк - Вашингтон и пропусканию по ней по одной машине в течение всего времени движения ее на этом участке;

на установление связи (соединения) также затрачивается время, за которое (при указанных пропускных способностях канала) может быть передано очень большое количество информации (хотя для телефонных разговоров это время может показаться незначительным);

высокий уровень шумов в коммутирующих АТС может вызывать сбои при передаче данных;

необходимость одинаковых (синхронных) устройств у абонентов, имеющих равные скорости приема-передачи.

" Бод - единица измерения скорости передачи в каналах связи. Названа в честь французского изобретателя телеграфного аппарата Эмиля Бодо. 1 бод = 1 бит/с и зависит от методов кодирования в каналах.

162

Тем не менее, этот вид компьютерной связи использовался до последнего времени частными абонентами при подключении домашних ПК.

Принципиальная схема коммутации цепей

Рис. 4.9. Принципиальная схема коммутации цепей

2. Принцип коммутации пакетов представлен на рис. 4.10. Коммутация пакетов была изобретена специально для компьютерных сетей. На рис. 4.10, а компьютер передает сообщение. В первом узле коммутации пакетов (или на интерфейсе между компьютером и узлом) сообщение разбивается на пакеты каждый со своим адресом (см. рис. 4.10, б). Пакеты передаются по сети независимо. Каждый узел на трассе макета выбирает дальнейшее направление его движения, учитывая информацию о потоках, неисправностях и т.п., полученную от соседних узлов. В результате пакеты могут пойти разными путями (см. рис. 4.10, в) и прибыть в точку назначения в неправильном порядке (см. рис. 4.10, г). Узел коммутации в точке назначения восстанавливает порядок перед доставкой их принимающему компьютеру (см. рис. 4.10, 0).

При коммутации пакетов информация, посылаемая одним из компьютеров другому, не передается непрерывным потоком по отведенной для нее цепи. Вместо этого компьютер каждого пользовагеля подключается к узлу (через коммутируемые телефонные линии) - мощному компьютеру, который разбивает поступающее сообщение на пакеты одинаковой длины, каждому из которых предшествует небольшая адресная информация (адрес назначения, адрес посылки, порядковый номер пакета и т.п.). Затем макеты поступают в сеть, в которой все узлы скоммугированы (соединены). Сеть действует как быстродействующий вариант почты, пакеты самого разного назначения могут использовать одни и те же линии. При этом:

1) нет задержки при коммутации, так как таковая отсутствует; уменьшается полная задержка сообщений и объем памяти, так как пакет может быть передан, как только он поступил, до получения всего сообщения;

упрощается управление буферной памятью, так как размеры пакета фиксированы;

при обнаружении ошибки требуется повторить передачу только одного пакета, а не всего сообщения;

короткие порции приводят к более эффективному использованию пропускной способности, временные промежутки между пакетами могут использоваться другими сообщениями;

отказ одной линии (обрыв) не приводит к нарушению связи, гак как маршрутизаторы (в узлах) отправят сообщения по другим направлениям;

2) нет избыточности пропускной способности, так как нет отдельных резервируемых линий;

Небольшая часть пропускной способности расходуется на маршрутизацию. Кратчайший маршрут но сети определяется совместно узлами в соответствии с распределенным алгоритмом маршрутизации. В каждом узле оценивается расстояние в некоторой «метрике» до всех точек назначения с учетом повреждений линий, загруженности узлов и т.п.

Пакеты одного и того же сообщения могут попасть в точку назначения различными путями, поэтому порядок их прибытия может отличаться от порядка отправления. Узел назначения выстраивает относящиеся к нему пакеты в правильном порядке. С точки зрения пользователя все выглядит так, как будто ему выделена целая цепь. При этом способе передачи говорят о «виртуальной цепи», или «виртуальном канале». В случае, когда порядок следования не важен или сообщение размещается в одном пакете, протокол передачи значительно упрощается (повышается производительность канала) и говорят о дейтаграммном протоколе. Дейтаграмма (или датаграмма) в данном случае - синоним пакета.

Принцип коммутации пакетов

Рис. 4.10. Принцип коммутации пакетов

3. Метод селекции пакетов представлен на рис. 4.11.

Пакеты рассылаются всем абонентам без исключения. Адресат отбирает адресованные ему пакеты, а остальные игнорирует. Одной из первых сетей такого тина была созданная в 70-х годах профессором Гавайского университета Абрамсоном сеть Алоха.

Передающая среда, называемая моноканалом, - конус пространства с вершиной в пассивной отражающей антенне геостационарного спутника (израсходовавшего запасы питания). В зоне приема отраженных сигналов расположены университеты на Гавайских островах, в Японии, США, Австралии. Абоненты имеют радиоприемник и радиопередатчик с остронанравленной на спутник антенной.

Метод селекции пакетов

Рис. 4.11. Метод селекции пакетов

Каждый из них может отправить на антенну-отражатель сообщение любому из четырех адресатов. Отразившись, оно придет на антенны всех абонентов, в том числе и на антенну пославшего его абонента. Так, на рисунке сообщение посылает абонент 1 для абонента 4; все, кроме 1 и 4, эго проигнорируют, 4-й его примет, а первый проверит его правильность. Наложение двух сообщений будет проконтролировано отправляющим и принимающим сообщениями, и через случайный промежуток времени посылка будет

166

повторена. Сеть оказалась очень дешевой, а ее низкая эффективность в первоначальном варианте была значительно повышена за счет наложения дополнительных условий на прием-передачу сообщений. Сети такого тина получили довольно широкое распространение, в том числе и в отечественной практике. Метод селекции пакетов интересен и в связи с гем, что его принцип используется и в самой популярной в мире локальной вычислительной сети Е&егпеЕ

За достаточно длительную историю своего развития (более 40 лет) ГВС претерпели значительные изменения, как в видах предлагаемых услуг, так и в их стоимости. Эти изменения стали возможны из-за быстрого роста пропускной способности каналов. Если в 60-х годах максимальная пропускная способность каналов ограничивалась 30 - 50 Кбиг/с, то в 90-х годах вполне доступны каналы в 10 Мбит/с, существуют каналы со скоростями передачи в 1, 10 и более Гбит/с (на световодах).

Потребность в высокоскоростной передаче связана в значительной степени с изменением услуг, предлагаемых в сетях. Все в меньшей степени использование сетей определяется распределением ресурсов компьютеров, когда решающую роль играет вычислительная техника, и все большее значение приобретают информационные системы, где заглавную роль играют средства телекоммуникации. К примеру, очень высокая производительность каналов связана с мультимедийными приложениями (данные, звук, видео). Так, передача в черно-белом изображении на экран 1000x1000 пикселей (точек) с частотой 30 кадров в секунду (чтобы исключить мерцание экрана) создает поток данных в сети 30 Мбит/с. Для передачи цветного изображения (16 цветов) потребуется уже 120 Мбит/с, хо тя и разработаны методы, позволяющие снизить требования к пропускной способности каналов для данных приложений. Общая потребность в повышении их производительности растет.

Чтобы удовлетворить новые требования корпораций в области вычислений и передачи данных, производители оборудования и поставщики услуг разработали ряд схем высокоскоростной передачи.

Среди большого количества каналов, применяемых в глобальных сетях, особо следует отметить выделенные (или арендуемые) каналы, в которых используются разнообразные методы доступа и виды передачи.

Среди схем с коммутацией (сеть) следует отметить выделенный канал.

Выделенным называется канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Абонентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), гак и целые сети.

Выделенные каналы обычно арендуются у компаний - операторов территориальных сетей, хотя крупные корпорации могут прокладывать свои собственные выделенные каналы.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от того, какого типа коммутационная аппаратура применена для постоянной коммутации абонентов - FDM или TDM. На аналоговых выделенных линиях для аппаратуры передачи данных физический и канальный протоколы жестко не определены. Отсутствие физического протокола приводит к тому, что пропускная способность аналоговых каналов зависит от пропускной способности модемов, которые использует пользователь канала. Модем собственно и устанавливает нужный ему протокол физического уровня для канала.

На цифровых выделенных линиях протокол физического уровня зафиксирован - он задан стандартом G.703.

На канальном уровне аналоговых и цифровых выделенных каналов обычно используется один из протоколов семейства HDLC или же более поздний протокол РРР, построенный на основе HDLC для связи многопротокольных сетей.

Среди некоммутируемых (выделенных) линий наибольшее распространение получили следующие:

аналоговые линии (самый дешевый вариант представляет собой аренду аналоговой витой пары; при использовании модемов, как правило, такой вариант позволяет передавать данные со скоростями от 4,8 до 56 Кбит/с);

служба цифровой передачи данных (высококачественные цифровые линии связи, для использования которых требуются специальные цифровые устройства (вместо модемов); такие линии дороже аналоговых, но позволяют передавать данные с более высокими скоростями;

линии Т-1 и Т-3 (на протяжении многих лет наиболее распространенной выделенной линией для высокоскоростной передачи данных (в том числе и телефонных разговоров) была все еще популярная линия Т-1; если пропускной способности линии Т-2 недостаточно, можно арендовать линию Т-3);

frame relay (хотя frame relay (ретрансляция кадров) представляет собой коммутируемую сетевую технологию, протокол frame relay может работать на выделенной линии, обеспечивая удобный и гибкий мультиплексный метод передачи данных; для этого подхода по требителю требуется специальное оборудование);

SONET (в выделенных линиях с максимальными скоростями передачи данных используется технология SONET/SDH).

Модем. Модемы, подключенные к общественной телефонной сети, реализуют относительно недорогую, но и низкоскоростную схему передачи данных. Сами модемы недороги, а скорость передачи данных по телефонной линии считается разумной при умеренном времени установки соединения. В различных организациях локальные сети и частные телефонные сети оборудованы модемными мулами для предоставления недорогой услуге по передачи данных.

Стандарт Х25. Является одним из наиболее старых типов сетей (применяется с 80-х годов) с коммутацией пакетов. Обеспечивает надежную передачу сообщения, используя принцип виртуальных цепей. Теоретически может поддерживать до 4096 виртуальных цепей в одном канале, практически - намного меньше. Хорошо работает и в физических каналах низкого качества, обеспечивая скорость передачи 1,2 - 64 Кбиг/с.

ISDN. Обеспечивает как коммутацию каналов, гак и коммутацию пакетов 4.25 по 64-килобигным каналам В . Могут предоставляться и более высокие скорости передачи данных. Как правило, тарифы за использование сети рассчитываются, исходя из длительности соединения, независимо от количества переданной информации.

Протокол Frame Relay (ретрансляция кадров), основанный на использовании кадров переменной длины, представляет разновидность коммутации каналов. Сетевой уровень у этого протокола отсутствует, а для повышения пропускной способности многие основные функции упрощены или устранены. Это высокоскоростной

В-ISDN - широкополосная сеть ISDN (Broadband ISDN) с интерфейсом ATM.

169

протокол для поддержки цифровой сети общего доступа с интегрированным обслуживанием (В-ISDN). Он предназначен для передачи разных видов информации, в основном для передачи данных. Протокол не содержит компонентов для осуществления контроля прохождения и коррекции ошибок (которые имеются в Х25), предполагая высоконадежный физический уровень передачи.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode), или режим асинхронной передачи, - одна из самых последних разработок и в наибольшей степени отвечает современным приложениям, являясь разновидностью коммутации пакетов, при которой используются ячейки фиксированного размера (53 байга). Так же, как и в протоколе Frame Relay, сетевой уровень отсутствует, а многие основные функции еще в большей степени упрощены или устранены для повышения пропускной способности. Кроме традиционного (для Х.25 и Frame Relay) понятия «виртуальные каналы», введено понятие «виртуальные пути» - связка виртуальных каналов с одинаковыми конечными точками, таким образом, все ячейки следующего по виртуальным каналам одного нуга коммутируются одновременно. Эта технология включает в себя целый комплекс средств: физический интерфейс, технику высокоскоростной коммутации и передачи данных, унифицированную сетевую технологию и т.п. Сеги такого типа способны передавать самые различные виды информации: речь, видео, текст. Скорость передачи зависит от конкретных физических каналов.

Скоростные характеристики перечисленных каналов коммутируемых сетей представлены в табл. 4.1.

Сделать выбор из различных вариантов выделенных линий и схем с коммутацией непросто, а с увеличением числа предлагаемых вариантов в 90-е годы такой выбор стал еще сложнее.

В заключение обсуждения наиболее распространенных каналов и используемых в глобальных сетях, несколько слов о технологиях xDSL и кабельных модемах. Технологии xDSL основаны на превращении абонентской линии обычной телефонной сети в цифровую, что и отражено в их названии (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия). Существует достаточно много различных технологий, основанных на xDSL. Эти технологии рассчитаны на высокоскоростную передачу данных на коротком отрезке витой нары, соединяющей абонента с ближайшей АТС, т.е. решение проблемы «последней линии», отделяющей потребителя от поставщика услуг (высокоскоростных выделенных линий), особенно необходимых при доступе в Internet.

Общая идея заключается в том, что на обоих концах абонентской линии - на АТС и у абонента - устанавливаются разделительные фильтры (splitter). Низкочастотная (до 3,5 кГц) составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат абонента), а высокоскоростная (выше 4 кГц) используется для передачи данных с помощью xDSL- модемов.

Таблица 4.1

Коммуникационные услуги и их характеристики

Некоммутируемая (выделенная) линия

Размер.

Кбайт/с

I - 10

10- 100

100- 103

103 -104

10- 105

105-10'’

106- 107

Аналоговая

линия

4,8 - 56

Служба

цифровой

передачи

данных

2,4 - 56

T-I

1,54

Frame Relay

1.54-44,736

Т-3

44,736

SONET

51,84-2,488

Коммуникация (сеть)

Модем

1,2-56

Коммутация пакетов Х.25

2,4-56

ISDN

64- 1,54

ADSL

16-9

Frame Relay

1.54-44,736

ATM

25-155

Поскольку физическая линия (пара проводов) между абонентом и АТС позволяет пропускать сигнал в полосе частот до 1 МГц, дос-

Ко.ммуникация (или коммуникационная сеть) представляет собой систему, которая соединяет некоторое число устройств и обеспечивает передачу данных между этими устройствами.

тижимые скорости передачи гораздо выше, чем предел в 56 Кбит/с, установленный и достигнутый для обычных модемов. Высокочастотная часть полосы пропускания сигнала может разделяться между встроенными каналами различным способом. При частотном разделении (FDM) часть спектра отдается на передачу в одном направлении, часть - в другом. При использовании эхоподавления (echo-cancellation) вся полоса используется для передачи в обе стороны, а каждое устройство при приеме из общего сигнала вычитает сигнал собственного передатчика. Пропускная способность может быть как симметричной, так и асимметричной. В случае подключения пользователя к сети Internet асимметрия выгодна, поскольку поток к абоненту (страницы текста, аудио- и видеопотоки) гораздо больше обратного (запросы URL).

Наибольшее распространение получила асимметрия ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), где скорость к абоненту (downstream) до 6,1 Мбит/с, от абонента - 16-640 Кбит/с. Скорость передачи к абоненту кратна скорости каналов Е1/Т1 (2,048; 4,096 и 6,144 Мбит/с для базового канала Е1 или 1,544; 3,088; 4,632 и 6,176 Мбит/с для базового канала Т1). Достижимая скорость связана с длиной абонентской линии и ее качеством (сечение проводов, материал изоляции, шаг скрутки, однородность и т.п.). Минимальная скорость обеспечивается на линиях длиной до 5,5 км при диаметре провода 0,5 мм (24 AWG) и до 4,6 км при 0,4 мм (26 AWG). Скорость 6,1 Мбит/с достигается на линиях длиной до 3,7 км при диаметре провода 0,5 мм и до 2,7 км при 0,4 мм.

UADSL (Universal ADSL), она же DSL Line, - улучшенный вариант ADSL с меньшими скоростями (при длине линии до 3,5 км скорости 1,5 Мбит/с и 384 Кбит/с в разных направлениях; при длине до 5,5 км - 640 и 196 Кбит/с). Устройства просты в установке и относительно недороги.

RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) - технология c адаптивным изменением скорости передачи в зависимости от качества линии.

HDSL (High Dana-Rate Digital Subscriber Line) - высокоскоростная технология, обеспечивающая скорости 1,536 или 2,048 Мбит/с в обоих направлениях. Протяженность линии - до 3,7 км, требует четырехнроводной линии.

SDSL (Single-Line Digital Subscriber Line) - симметричная высокоскоростная (1,536 или 2,048 Мбит/с), но на двухпроводной линии при длине до 3 км.

VDSL (Very High Dana-Rate Digital Subscriber Line) - очень высокоскоростная (до 56 Мбит/с), симметричная. Расстояние до 1,5 км. Технология весьма дорога, но рассчитана и на коллективное использование линий. После разделяющего фильтра на абонентской стороне может стоять одиночный модем (или концентратор), а может подключаться через специальную кабельную проводку (коаксиальный кабель или витая пара) и группа модемов, разделяя полосу пропускания предопределенным образом.

Для того чтобы использовать xDSL, провайдер (оператор связи) должен установить свое оборудование на территории АТС обслуживаемого абонента и соединить его с базовой сетью передачи данных каналом достаточной производительности. Конечно, возможны и частные случаи, когда с помощью xDSL объединяются локальные сети в зданиях, охваченных одной АТС. Установка модема ADSL или UADSL на стороне абонента практически не отличается от установки обычного модема. Но технологии xDSL позволяют одновременно и независимо использовать одну и ту же телефонную линию и для передачи данных, и для телефонных переговоров, чего не позволяют обычные модемы для коммутируемых линий.

Кабельные модемы предназначены для работы через сети кабельного телевидения (CATV), для которых используется широкополосный коаксиальный кабель с импедансом 75 Ом. Передача данных ведется параллельно с видеовещанием. Эти модемы к телефонным сетям непосредственного отношения не имеют, они используют кабельное хозяйство операторов услуг кабельного телевидения. Как и ADSL, кабельные модемы асимметричны: скорость к пользователю может достигать десятков мегабайт в секунду, от пользователя - значительно ниже. Кабельные модемы могут быть и симплексными - модем пользователя только принимает нисходящий (downstream) поток данных от модема оператора кабельного TV. При этом восходящий (upstream) поток данных от пользователя должен передаваться по иным каналам (например, ISDN или аналоговым модемам). Для упрощения структуры коммуникаций (но не оборудования) желательно оба потока передавать по одной и гой же кабельной сети. Развитием идеи раздельной передачи потоков является передача нисходящего потока по спутниковым каналам, но пока что это слишком дорогая технология. Кабельные модемы в основном предназначены для предоставления пользователям доступа к сети Internet с высокими скоростями получения информации.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы