Глобальные сети на основе выделенных линий

Выделенный канал - это канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов.

Абонентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), так 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 аналоговых выделенных линиях для постоянной коммутации абонентов используется коммутационная аппаратура FDM,

в цифровых выделенных линиях - аппаратура 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 коммутационного оборудования - модемов, которые использует пользователь канала. Модем собственно и устанавливает нужный ему протокол физического уровня для канала.

На цифровых выделенных линиях протокол физического уровня уже зафиксирован (метод кодирования данных в цифровых сетях уже заранее задан).

Аналоговые выделенные линии.

Аналоговые выделенные линии

Аналоговые линии в свою очередь также распределяют на несколько типов. Их классифицируют по нескольким признакам. Самый первый и "наглядный" признак классификации - конструктивное исполнение.

Выделенные аналоговые каналы могут выполняться с 4-проводным или 2-проводным окончанием. Надо отметить, что на каналах с 4-проводным окончанием организация полнодуплексной связи, естественно, выполняется более простыми способами.

Другой признак, который разделяет аналоговые линии на две группы, - наличие промежуточной аппаратуры коммутации и усиления или ее отсутствие.

Если аналоговые выделенные линии проходят через дополнительное оборудование частотного уплотнения - FDM-коммутаторы, мультиплексоры, которые могут располагаться, например, на АТС - то их называют нагруженными.

Телефонные компании обычно предоставляют в аренду два типа выделенных каналов:

канал тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц

и широкополосный канал с полосой 48 кГц, который представляет собой базовую группу из 12 каналов тональной частоты.

Широкополосный канал имеет границы полосы пропускания от 60 до 108 кГц.

Так как широкополосный канал используется для связи АТС между собой, то получение его в аренду более проблематично, чем канала тональной частоты.

Выделенные нагруженные каналы также классифицируются, в свою очередь, на категории в зависимости от их качества. От категории качества зависит и арендная месячная плата за канал.

Вторая группа выделенных линий - это ненагруженные физические проводные линии. То есть линии без промежуточной аппаратуры.

Они могут кроссироваться, но при этом не проходят через аппаратуру частотного уплотнения. Часто такие линии используются для связи между только близко стоящими зданиями.

Разветвленные сети каналов, представляющих собой ненагруженные линии, используются, например, муниципальными службами (энергонадзора, водопровода, пожарной охраны и др.) для передачи технологической информации.

При небольшой длине ненагруженной выделенной линии она обладает достаточно широкой полосой пропускания, иногда до 1 МГц, что позволяет передавать импульсные немодулированные сигналы.

На первый взгляд может показаться, что ненагруженные линии не имеют никакого отношения к глобальным сетям, ведь их можно использовать при протяженности максимум в несколько километров. Однако в последнее время именно этот вид выделенных каналов привлекает пристальное внимание разработчиков средств удаленного доступа. Дело в том, что телефонные абонентские окончания - отрезок витой пары от АТС до жилого или производственного здания - представляют собой именно такой вид каналов.

Широкая (хотя и заранее точно неизвестная) полоса пропускания этих каналов позволяет развить на коротком отрезке линии высокую скорость - до нескольких мегабит в секунду.

В связи с этим до ближайшей АТС данные от удаленного компьютера или сети можно передавать гораздо быстрее, чем по каналам тональной частоты, которые начинаются в данной АТС.

Для передачи данных по выделенным нагруженным аналоговым линиям используются модемы, работающие на основе методов аналоговой модуляции сигнала.

Как и всякое оборудование, модемы работают согласно определенным стандартам. Протоколы и стандарты модемов делятся на три группы:

стандарты, определяющие скорость передачи данных и метод кодирования;

стандарты исправления ошибок;

стандарты сжатия данных.

Все стандарты определены в специальной рекомендации европейских стандартов CCITT серии V.

Надо отметить, что эти стандарты определяют работу модемов как для выделенных, так и коммутируемых линий.

Модемы можно также классифицировать в зависимости от того, какой режимы работы они поддерживают - асинхронный, синхронный или оба этих режима. А также, к какому окончанию - 4-проводному или 2-проводному они подключены.

Учитывая возможный режим работы, модемы делятся на три группы:

модемы, поддерживающие только асинхронный режим работы;

модемы поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;

модемы, поддерживающие только синхронный режим работы.

* Модемы, которые работают только в асинхронном режиме, обычно поддерживают низкую скорость передачи данных - до 1200 бит/с. Они могут подключаться к 2-х или 4-х проводным аналоговым выделенным линиям.

Дуплексный режим на 2-проводном окончании обеспечивается частотным разделением канала.

Асинхронные модемы представляют самый дешевый вид модемов, так как им не требуются высокоточные схемы синхронизации сигналов.

Кроме того, асинхронный режим работы неприхотлив к качеству линии.

* Модемы, работающие только в синхронном режиме, могут подключаться только к 4-проводному окончанию.

Синхронные модемы используют для выделения сигнала высокоточные схемы синхронизации и поэтому обычно значительно дороже асинхронных модемов.

Кроме того, синхронный режим работы предъявляет высокие требования к качеству линии.

Как мы уже говорили в аренду можно взять либо выделенные каналы тональной частоты, либо выделенные широкополосные каналы, в зависимости от необходимых требований.

Для выделенного канала тональной частоты с 4-проводным окончанием разработано достаточно много стандартов для модемов серии V. Все они поддерживают дуплексный режим:

V.26 - скорость передачи 2400 бит/с;

V.27 - скорость передачи 4800 бит/с;

V.29 - скорость передачи 9600 бит/с;

V.32 ter - скорость передачи 19 200 бит/с.

Для выделенного широкополосного канала с полосой пропускания 60-108 кГц существуют три стандарта:

V.35 - скорость передачи 48 Кбит/с;

V.36 - скорость передачи 48-72 Кбит/с;

V.37 - скорость передачи 96-168 Кбит/с.

* Модемы, работающие в асинхронном и синхронном режимах, являются наиболее универсальными устройствами.

Чаще всего они могут работать как по выделенным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы.

На выделенных каналах они поддерживают в основном 2-проводное окончание и гораздо реже - 4-проводное.

Для асинхронно-синхронных модемов также разработан ряд стандартов серии V:

V.22 - скорость передачи до 1200 бит/с;

V.22 bis - скорость передачи до 2400 бит/с;

V.26 ter - скорость передачи до 2400 бит/с;

V.32 - скорость передачи до 9600 бит/с;

V.32 bis - скорость передачи 14 400 бит/с;

V.34 - скорость передачи до 28,8 Кбит/с;

V.34+ - скорость передачи до 33,6 Кбит/с.

Стандартов много, и все они различаются не только скоростью передачи, режимом работы, но и другими особенностями. Во всех случаях, разработчики стремились к возможности разработки таких модемов, которые могли бы работать на каналах любого качества.

В стандарте V.34 (принятом летом 1994 года), эту особенность смогли реализовать. Его особенностью стало наличие специальных процедур динамической адаптации к изменениям характеристик канала во время обмена информацией. Адаптация осуществляется в ходе сеанса связи - без прекращения и без разрыва установленного соединения.

В отличие от остальных стандартов, этот стандарт поддерживает специальные процедуры, по которым модем, после тестирования линии выбирает свои основные параметры: несущую и полосу пропускания, оптимальный уровень передачи и т.п.

Усовершенствованная стандарт V.34+, как вы заметили, позволил повысить скорость до 33,6 Кбит/с (это удалось достигнуть за счет усовершенствования метода кодирования). Хотя специалисты отмечают, что даже в Америке только 30% телефонных линий смогут обеспечить такой низкий уровень помех, чтобы модемы V.34+ могли работать на максимальной скорости. Но, тем не менее, модемы стандарта V.34+ работают лучше на зашумленных линиях (они лучше "держат" связь), чем модемы V.34.

Стандарты V.34 и V.34+ позволяют работать на 2-проводной выделенной линии в дуплексном режиме.

Дуплексный режим передачи в стандартах V.32, V.34, V.34+ обеспечивается не с помощью частотного разделения канала, а с помощью одновременной передачи данных в обоих направлениях.

Это удалось реализовать с помощью специальных процессоров, которые называются сигнальными (DSP). Принимаемый сигнал определяется вычитанием передаваемого сигнала из общего сигнала в канале.

На высокой скорости модемы V.32 - V.34+ фактически всегда используют в канале связи синхронный режим. При этом с самими компьютерами (или с другими устройствами DTE, к которым они подключены) они могут работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах.

Надо сказать, что модемы различаются не только поддерживаемыми протоколами, но и определенной ориентацией на область применения.

Различают профессиональные модемы, которые предназначены для работы в модемных пулах корпоративных сетей, и модемы для применения в небольших офисах или на дому.

Профессиональные модемы отличаются высокой надежностью, способностью устойчиво работать в непрерывном режиме и поддержкой средств удаленного централизованного управления.

Обычно система управления модемными стойками поставляется отдельно и оправдывает себя в условиях большого предприятия.

Стандарт V.34 выделяет в общей полосе пропускания линии отдельную полосу для управления модемом по тому же каналу, по которому передаются и пользовательские данные.

Приведем типовую структуру соединения двух компьютеров или локальных сетей с помощью выделенной аналоговой линии.

Если внимательно рассмотреть рисунок, то можно определить, что в случае 2-проводного окончания для обеспечения дуплексного режима модем использует трансформаторную развязку.

Телефонная сеть благодаря своей схеме развязки обеспечивает разъединение потоков данных, циркулирующих в разных направлениях. При наличии 4-проводного окончания схема модема упрощается.

Итак, это, в общем, то, что мы хотели отметить об аналоговых выделенных линиях. На данное время наблюдается картина, когда аналоговые линии как выделенные линии для глобальных сетей, уже "отмирают". Поскольку они имеют много недостатков. Как мы уже сказали, аналоговые выделенные линии используют метод частотного уплотнения. Очень существенный недостаток этого метода высокая чувствительность к различного рода помехам, которые всегда присутствуют в территориальных кабелях.

Для "восстановления" формы сигнала в таких линиях при передаче на длительные расстояния приходится использовать дополнительную промежуточную аппаратуру.

Кроме этого, каналы с частотным уплотнением, которые применяются на участках АТС-АТС, не могут уже обеспечивать необходимые на данный момент возможности по организации высокоскоростной многоканальной связи по одному кабелю. Технология FDM для одновременной передачи данных 12 или 60 абонентских каналов использует витую пару. Повышение скорости связи предполагает прокладку кабелей с большим количеством пар проводов или более дорогих коаксиальных кабелей. В общем, ситуация привела к тому, что на первый план вышли цифровые выделенные линии.

Цифровые выделенные линии

Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в первичных сетях, построенных на базе коммутационной аппаратуры, которая использует для работы способ разделения канала во времени - TDM.

Исторически сложилось два поколения технологий цифровых первичных сетей - технология плезиохронной ("плезио" означает "почти", то есть почти синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH) и более поздняя технология - синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH).

Технология плезиохронной цифровой иерархии PDH

С самого начала цифровая аппаратура мультиплексирования и коммутации была разработана в конце 60-х годов компанией АТ&AT; как решение проблемы связи крупных коммутаторов телефонных сетей между собой.

Для решения проблем, присущим аналоговым выделенным линиям была разработана аппаратура типа Т1, которая позволяла в цифровом виде мультиплексировать, передавать и коммутировать (на постоянной основе) данные 24 абонентов.

Так как абоненты по-прежнему пользовались обычными телефонными аппаратами, то есть передача голоса шла в аналоговой форме, то мультиплексоры типа Т1 сами осуществляли оцифровывание голоса с частотой 8000 Гц и кодировали голос с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM).

В результате каждый абонентский канал образовывал цифровой поток данных 64 Кбит/с.

Для соединения магистральных АТС каналы Т1 представляли собой слишком слабые средства мультиплексирования (в смысле по величине скорости), поэтому в технологии была реализована идея образования каналов с иерархией скоростей. Она выглядела следующим образом:

Четыре канала типа Т1 объединяются в канал следующего уровня цифровой иерархии - Т2, передающий данные со скоростью 6,312 Мбит/с, а семь каналов Т2 дают при объединении канал ТЗ, передающий данные со скоростью 44,736 Мбит/с.

Аппаратура типов T1, T2 и ТЗ может взаимодействовать между собой, образуя иерархическую сеть с магистральными и периферийными каналами трех уровней скоростей.

С середины 70-х годов выделенные каналы, построенные на аппаратуре T1, стали отдаваться телефонными компаниями в аренду на коммерческих условиях, и перестали уже быть внутренней технологией этих компаний.

Сети T1, а также более скоростные сети T2 и ТЗ позволяют передавать не только голос, но и любые данные, представленные в цифровой форме, - компьютерные данные, телевизионное изображение, факсы и т. п.

Технология цифровой иерархии была позже стандартизована в CCITT.

Надо отметить, что те изменения, которые были внесены, привели к несовместимости американской и международной версий цифровых сетей. Американская версия распространена сегодня кроме США также в Канаде и Японии (с некоторыми различиями), а в Европе применяется международный стандарт.

Аналогом каналов Т в международном стандарте являются каналы типа E1, E2 и ЕЗ с другими скоростями - соответственно 2,048 Мбит/с, 8,488 Мбит/с и 34,368 Мбит/с.

Американский вариант технологии также был стандартизован институтом ANSI.

В дальнейшем мы будем подразумевать под выражением Т/Е - общие понятия для двух этих стандартов. Несмотря на различия американской и международных версий технологии цифровой иерархии, для обозначения иерархии скоростей принято использовать одни и те же обозначения - DSn (Digital Signal, n - номер соответствующего типа канала от 0 до 4).

На практике в основном используются каналы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ.

Например, один мультиплексор Т1 обеспечивает передачу данных 24-х абонентов со скоростью 1,544 Мбит/с в кадре, имеющем достаточно простой формат.

В этом кадре последовательно передается по одному байту каждого абонента, затем в конце - после 24-х байт вставляется один бит синхронизации. В более скоростной аппаратуре Т2 и Т3 такой принцип формирования кадра сохранился.

Суммарная скорость пользовательских каналов составляет 24 х 64 = 1,536 Мбит/с, а еще 8 Кбит/с добавляют биты синхронизации.

Как мы уже отметили, цифровые сети могут передавать данные любого типа. В зависимости от типа передаваемых данных: компьютерные данные или голос, в аппаратуре типа Т1 изменяется назначение восьмого бита каждого байта в кадре.

Если происходит передача голоса, то все 24 канала являются абонентскими, поэтому управляющая и контрольная информация передается восьмым (наименее значащим) битом замеров голоса.

При передаче компьютерных данных канал Т1 предоставляет для пользовательских данных только 23 канала, а 24-й канал отводится для служебных целей, в основном - для восстановления искаженных кадров. Для одновременной передачи как голосовых, так и компьютерных данных используются все 24 канала, причем компьютерные данные передаются со скоростью 56 Кбит/с. Техника использования восьмого бита для служебных целей получила название "кражи бита" (bit robbing).

Вместо восьмого бита в канале Е1 на служебные цели отводятся 2 байта из 32. Для голосовых каналов или каналов данных остается 30 каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с каждый.

Пользователь может арендовать несколько каналов 64 Кбит/с (56 Кбит/с) в канале Т1/Е1. Такой канал называется "дробным" (fractional) каналом Т1/Е1.

Итак, это кратко, что касается особенностей канального уровня технологии цифровых выделенных линий PDH.

Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель.

Основным вариантом абонентского доступа к каналам Т1/Е1 является кабель из двух витых пар с разъемами RJ-48. Две пары требуются для организации дуплексного режима передачи данных со скоростью 1,544/2,048 Мбит/с.

Для кодирования сигналов используется: в каналах Т1 - биполярный потенциальный код B8ZS, в каналах E1 - биполярный потенциальный код HDB3.

Коаксиальный кабель благодаря своей широкой полосе пропускания поддерживает канал Т2/Е2 или 4 канала Т1/Е1.

Для работы каналов ТЗ/ЕЗ обычно используется либо коаксиальный кабель, либо волоконно-оптический кабель, либо каналы СВЧ.

Физический уровень международного варианта технологии определяется стандартом G.703.

Американский вариант интерфейса носит название Т1.

Как американский, так и международный варианты технологии PDH обладают несколькими недостатками.

И один из основных недостатков:

- сложность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных.

Само название техники цифровой сети - "плезиохронный", говорит о причине такого явления - отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в более высокоскоростные.

Для преодоления этого недостатка в сетях PDH реализуют некоторые дополнительные приемы, которые могут уменьшать количество операций демультиплексирования при извлечении пользовательских данных из высокоскоростных каналов.

Другим существенным недостатком технологии PDH является отсутствие развитых встроенных процедур контроля и управления сетью.

Служебные биты дают мало информации о состоянии канала, не позволяют его конфигурировать и т. п. Нет в технологии и процедур поддержки отказоустойчивости, которые очень полезны для первичных сетей, на основе которых строятся ответственные междугородные и международные сети.

И это в то время, когда в современных сетях управлению уделяется большое внимание, причем считается, что управляющие процедуры желательно встраивать именно в основной протокол передачи данных сети.

Третий недостаток состоит в слишком низких по современным понятиям скоростях иерархии PDH.

Иерархия скоростей сети технологии PDH заканчивается уровнем 139 Мбит/с.

Явным решением этой проблемы было использование высокоскоростных волоконно-оптических кабелей, которые могут передавать данные со скоростями до нескольких гегабит в секунду. Вскоре разработчики смогли найти нужное практическое решение в виде новой технологии первичных цифровых сетей, получившей название синхронной цифровой иерархии - Synchronous DigitalHierarchy, SDH, об особенностях которой мы сейчас немного поговорим.

Технология синхронной цифровой иерархии SONET/SDH

Технология синхронной цифровой иерархии сначала была разработана компанией Bellcore под названием "Синхронные оптические сети" - Synchronous Optical NETs, SONET в 1984 году.

Затем она была стандартизована комитетом T1 ANSI. Международная стандартизация этой технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) и CCITT совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии.

Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских Т1 - ТЗ, так и европейских Е1 - ЕЗ) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду.

В результате длительной работы удалось разработать международный стандарт Synchronous Digital Hierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709). А также доработали стандарты SONET таким образом, что аппаратура и протоколы SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH - как американского, так и европейского.

В терминологии и начальной скорости технологии SDH и SONET остались расхождения, но это не мешает совместимости аппаратуре разных производителей, а технология SONET/SDH фактически стала считаться единой технологией. В России применяются стандарты и адаптированная терминология SDH.

В стандарте SDH все уровни скоростей иерархии (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название:

STM-n - Synchronous Transport Module level n.

В технологии SONET существуют два обозначения для уровней скоростей: STS-n - Synchronous Transport Signal level n, употребляемое при передаче данных электрическим сигналом, и

ОС-n - Optical Carrier level n, употребляемое при передаче данных световым лучом по волоконно-оптическому кабелю. Форматы кадров STS и ОС одинаковы.

Cтандарт SONET начинается со скорости STS-1, OS-1 - 51,84 Мбит/с и заканчивается скоростью STS-48, OS-48 - 2,488 Гбит/с,

а стандарт SDH - начинается со скорости STМ-1 - 155,520 Мбит/с - утроенная начальная скорость SONET, и заканчивается скоростью STМ-16 - 2,488 Гбит/с.

Международный стандарт определил начальную скорость иерархии в 155,52 Мбит/с, чтобы сохранялась стройность и преемственность технологии SDH с технологией PDH

- в этом случае канал SDH может передавать данные уровня DS-4, скорость которых равна 139,264 Мбит/с.

Любая скорость технологии SONET/SDH кратна скорости STS-1.

Кадры данных технологий SONET и SDH, (они могут называться также циклами), по форматам совпадают, естественно начиная с общего уровня STS-3/STM-1. Эти кадры обладают большой избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна для:

1) обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей, позволяющих вставлять (add) и извлекать (drop) пользовательскую информацию любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток;

2) обеспечения отказоустойчивости сети;

3) поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;

4) синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.

Каким образом построены сети SONET и SDH? Очевидно, что для выполнения выше перечисленных действий в этих технологиях используется соответствующее оборудование. Как уже говорилось выше, схемы работы таких технологий намного сложнее, чем PDH.

Для приема пользовательских данных от низкоскоростных каналов PDH (Т1/Е1 или Т3/Е3) и преобразования их в кадры STS-n используются терминальные устройства. Затем "стоит" мультиплексор, который "переключает" принятые от терминалов потоки кадров разных скоростей STS-n в кадры более высокой иерархии. И теперь этот поток кадров, через специальный регенератор, который отвечает за восстановление мощности передаваемого сигнала, попадает на вход, так называемого мультиплексора "ввода/вывода". Этот мультиплексор принимает и передает транзитом поток определенной скорости STS-n, вставляя или удаляя "на ходу" без полного демультиплексирования, пользовательские данные с низкоскоростных входов. Эта общая схема работы. При этом каждое устройство работает согласно определенному протоколу.

Кадры технологии SONET/SDH принято представлять в виде матрицы, состоящей из n строк и m столбцов. Такое представление хорошо отражает структуру кадра со своего рода подкадрами, называемыми виртуальными контейнерами (Virtual Container, VC - термин SDH) или виртуальными притоками (Virtual Tributaries, VT - термин SONET).

Виртуальные контейнеры - это такие специальные подкадры, которые переносят потоки данных, скорости которых ниже, чем начальная скорость технологии SONET/SDH в 51,84 Мбит/с (например, поток данных Т1 со скоростью 1,544 Мбит/с).

Все устройства сети SONET/SDH, которые работают с кадрами, имеют достаточный буфер для размещения в нем всех байт кадра, протекающих синхронно через устройство, поэтому устройство для анализа информации на некоторое время имеет полный доступ ко всем частям кадра.

Таким образом, размещение служебной информации в несмежных байтах не представляет сложности для обработки кадра.

Еще один столбец представляет собой заголовок протокола пути. Он используется для указания местоположения виртуальных контейнеров внутри кадра, если кадр переносит низкоскоростные данные пользовательских каналов типа Т1/Е1.

Местоположение виртуальных контейнеров задается не жестко, а с помощью системы указателей (pointers).

Техника применения указателей является ключевой в технологии SONET/SDH.

Благодаря использованию указателей обеспечивается синхронную передачу байт кадров с асинхронным характером вставляемых и удаляемых пользовательских данных.

Определенным образом кадры STS-n всегда образуют синхронный поток байтов, но с помощью изменения значения соответствующего указателя можно вставить и извлечь из этого потока байты низкоскоростного канала, не выполняя полного демультиплексирования высокоскоростного канала.

В технологии SONET/SDH существует гибкая, но достаточно сложная схема использования поля данных кадров STS-n. Сложность этой схемы в том, что нужно "уложить" в кадр наиболее рациональным способом мозаику из виртуальных контейнеров разного уровня. Поэтому в технологии SONET/SDH стандартизовано шесть типов виртуальных контейнеров, которые хорошо сочетаются друг с другом при образовании кадра STS-n.

На физическом уровне технологии SONET/SDH используется кодирование бит информации с помощью модуляции света. Для кодирования сигнала применяется метод NRZ (благодаря внешней тактовой частоте его плохие самосинхронизирующие свойства недостатком не являются).

Отказоустойчивость сети SONET/SDH встроена в ее основные протоколы. Этот механизм называется автоматическим защитным переключением - Automatic Protection Switching, APS.

Существуют два способа его работы. В первом способе защита осуществляется по схеме 1:1. Для каждого рабочего волокна (и обслуживающего его порта) назначается резервное волокно. Во втором способе, называемом 1:n, для защиты n волокон назначается только одно защитное волокно.

В схеме защиты 1:1 данные передаются как по рабочему, так и по резервному волокну. При выявлении ошибок принимающий мультиплексор сообщает передающему, какое волокно должно быть рабочим. Обычно при защите 1:1 используется схема двух колец, похожая на двойные кольца FDDI, но только с одновременной передачей данных в противоположных направлениях.

При обрыве кабеля между двумя мультиплексорами происходит сворачивание колец, и, как и в сетях FDDI, из двух колец образуется одно рабочее.

Управление, конфигурирование и администрирование сети SONET/SDH также встроено в протоколы. Служебная информация протокола позволяет централизованно и дистанционно конфигурировать пути между конечными пользователями сети, изменять режим коммутации потоков, а также собирать подробную статистику о работе сети. Существуют мощные системы управления сетями SDH, позволяющие прокладывать новые каналы простым перемещением мыши по графической схеме сети.

И сети SDH и сети плезиохронной цифровой иерархии очень широко используются для построения как публичных, так и корпоративных сетей. Особенно популярны их услуги в США, где большинство крупных корпоративных сетей построено на базе выделенных цифровых каналов.

При аренде выделенного канала сетевой интегратор всегда уверен, что между локальными сетями существует канал вполне определенной пропускной способности.

Это положительная черта аренды выделенных каналов. Однако при относительно небольшом количестве объединяемых локальных сетей пропускная способность выделенных каналов никогда не используется на 100%, и это недостаток монопольного владения каналом. Оказывается, что предприятие всегда платит не за реальную пропускную способность.

Телефонные коммутаторы также могут использовать технологию цифровой иерархии, поэтому построение телефонной сети с помощью каналов PDH или SONET/SDH не представляет труда.

На приведенном рисунке показан пример сосуществования двух сетей - компьютерной и телефонной - на основе выделенных каналов одной и той же первичной цифровой сети.

Технология SONET/SDH очень экономично решает задачу мультиплексирования и коммутации потоков различной скорости, поэтому сегодня она, несмотря на невозможность динамического перераспределения пропускной способности между абонентскими каналами, является наиболее распространенной технологией создания первичных сетей.

Для обеспечения связи компьютера или коммутационного оборудования с цифровой выделенной линией используется пара устройств:

устройство обслуживания данных (УОД)

и устройство обслуживания канала (УОК).

В англоязычной литературе эти устройства называются соответственно Data Service Unit (DSU) и Channel Service Unit (CSU).

DSU преобразует сигналы, поступающие от DTE и выполняет всю синхронизацию, формирует кадры каналов Т1/Е1, усиливает сигнал и осуществляет выравнивание загрузки канала.

CSU выполняет более узкие функции, в основном это устройство занимается созданием оптимальных условий передачи в линии.

Эти устройства, как и модуляторы-демодуляторы, часто обозначаются одним словом DSU/CSU.

На этом рисунке приведен пример использования устройств DSU/CSU для подключения к цифровой выделенной линии.

Итак, как мы уже определили, выделенные каналы используются для прямой связи между собой локальных сетей или отдельных компьютеров.

Для коммуникационного оборудования, которое используется в локальных сетях, выделенная линия предоставляет чаще всего либо канал с известной полосой пропускания, как в случае выделенных аналоговых линий, либо канал с известным протоколом физического уровня, как в случае цифровых выделенных каналов.

Правда, так как аналоговый канал требует наличия модема для передачи данных, протокол физического уровня также определен и для этой линии - это протокол модема.

Поэтому для передачи данных с помощью выделенного канала необходимо решить, какие протоколы уровней выше физического необходимы для передачи сообщений с нужной степенью надежности и с возможностями управления потоком кадров для предотвращения переполнения соседних узлов.

На выделенных каналах коммуникационное оборудование (кроме сетевых адаптеров) с протоколами канального уровня локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI) не работают!

Они, с одной стороны, избыточны, а с другой стороны, в них отсутствуют некоторые необходимые процедуры, очень полезные при объединении сетей по глобальному выделенному каналу.

Избыточность проявляется в процедурах получения доступа к разделяемой среде, а так как выделенная линия постоянно находится в распоряжении соединяющихся с ее помощью конечных узлов, процедура получения доступа к ней не имеет смысла.

Поэтому существует несколько протоколов канального уровня, разработанных специально для работы сети на выделенных линиях.

Протокол SLIP

Протокол SLIP (Serial Line IP) был первым стандартом де-факто, позволяющим устройствам, соединенным последовательной линией связи, работать по протоколам TCP/IP.

Он был создан в начале 80-х годов и в 1984 году встроен Риком Адамсом (Rick Adams) в операционную систему 4.2 Berkley Unix. Позднее SLIP был поддержан в других версиях Unix и реализован в программном обеспечении для ПК.

Правда, ввиду его функциональной простоты, SLIP использовался и используется в основном на коммутируемых линиях связи. Тем не менее, поскольку, в принципе, коммутируемый канал отличается от некоммутируемого только более низким качеством и необходимостью выполнять процедуру вызова абонента, поэтому SLIP вполне применим и на выделенных каналах.

Протокол SLIP выполняет единственную функцию - он позволяет в потоке бит, которые поступают по выделенному (или коммутируемому) каналу, распознать начало и конец IP-пакета.

Помимо протокола IP, другие протоколы сетевого уровня протокол SLIP не поддерживает!

Хотя в спецификации протокола SLIP не определена максимальная длина передаваемого пакета, реальный размер IP-пакета не должен превышать 1006 байт.

Для установления связи по протоколу SLIP компьютеры должны иметь информацию об IP-адресах друг друга.

В самом протоколе SLIP нет механизмов, дающих возможность обмениваться адресной информацией. Это ограничение не позволяет использовать SLIP для некоторых видов сетевых служб.

Другой недостаток SLIP - отсутствие индикации типа протокола, пакет которого инкапсулируется в SLIP-пакет.

Именно поэтому через последовательную линию по протоколу SLIP можно передавать трафик лишь одного сетевого протокола - IP.

При работе с реальными телефонными линиями, зашумленными и поэтому искажающими пакеты при пересылке, требуются процедуры обнаружения и коррекции ошибок. В протоколе SLIP такие процедуры не предусмотрены. Эти функции обеспечивают вышележащие протоколы.

Таким образом, протокол SLIP выполняет работу по выделению из последовательности передаваемых по последовательному каналу бит границ IP-пакета (и только IP). Протокол не имеет механизмов передачи адресной информации, идентификации типа протокола сетевого уровня, определения и коррекции ошибок.

Протоколы семейства HDLC

Долгое время основным протоколом выделенных линий был протокол HDLC (High-level Data Link Control), имеющий статус стандарта ISO. Протокол HDLC на самом деле представляет собой семейство протоколов.

Основные принципы работы протокола HDLC:

режим логического соединения, контроль искаженных и потерянных кадров с помощью метода скользящего окна,

управление потоком кадров,

а также различные типы кадров этого протокола были уже нами рассмотрены на предыдущих уроках, при изучении представителя семейства HDLC - протокола LLC2.

Однако сегодня протокол HDLC на выделенных каналах вытеснил другой протокол "точка-точкам", Point-to-Point Protocol, PPP.

Дело в том, что одна из основных функций протокола HDLC - это восстановление искаженных и утерянных кадров. Однако, в виду того, что сегодня популярны цифровые каналы, которые и без внешних процедур восстановления кадров обладают высоким качеством, то для работы по такому каналу восстановительные функции протокола HDLC не нужны. При передаче по аналоговым выделенным каналам современные модемы сами применяют протоколы семейства HDLC (синхронные модемы - HDLC, а асинхронно-синхронные с асинхронным интерфейсом - LAP-M, который также принадлежит семейству HDLC). Поэтому использование HDLC становится неоправданным. Итак, рассмотрим особенности самого популярного протокола канального уровня для выделенных линий -

Протокол PPP

Этот протокол разработан группой IETF (Internet Engineering Task Force) как часть стека протокола сетевого уровня TCP/IP для передачи кадров информации по последовательным глобальным каналам связи взамен устаревшего протокола SLIP (Serial Line IP).

Протокол PPP стал фактическим стандартом для глобальных линий связи при соединении удаленных клиентов с серверами.

При разработке протокола PPP за основу был взят формат кадров HDLC и дополнен собственными полями. Поля протокола PPP вложены в поле данных кадра HDLC.

Основное отличие РРР от других протоколов канального уровня состоит в том, что он добивается согласованной работы различных устройств с помощью переговорной процедуры.

Во время этой процедуры передаются различные параметры, такие как качество линии, протокол аутентификации и встроенные протоколы сетевого уровня. Переговорная процедура происходит, в свою очередь, во время установления соединения.

Протокол РРР основан на четырех основных принципах:

переговорное принятие параметров соединения,

многопротокольная поддержка,

расширяемость протокола,

независимость от глобальных служб.

Рассмотрим особенности каждого из них.

Переговорное принятие параметров соединения.

В глобальной сети конечные системы часто отличаются размерами буферов для временного хранения пакетов, ограничениями на размер пакета, списком поддерживаемых протоколов сетевого уровня. Физическая линия, связывающая конечные устройства, может быть от низкоскоростной аналоговой линии до высокоскоростной цифровой линии с различными уровнями качества обслуживания.

Чтобы справиться со всеми возможными ситуациями, в протоколе РРР имеется набор стандартных установок, действующих по умолчанию и учитывающих все стандартные конфигурации. При установлении соединения два взаимодействующих устройства для нахождения взаимопонимания пытаются сначала использовать эти установки. Каждый конечный узел описывает свои возможности и требования. Затем на основании этой информации принимаются параметры соединения, устраивающие обе стороны.

Протокол, в соответствии с которым принимаются параметры соединения, называется протоколом управления связью (Link Control Protocol, LCP).

Протокол, который позволяет конечным узлам договориться о том, какие сетевые протоколы будут передаваться в установленном соединении, называется протоколом управления сетевым уровнем (Network Control Protocol, NCP) .

Внутри одного РРР - соединения могут передаваться потоки данных различных сетевых протоколов.

Одним из важных параметров РРР - соединения является режим аутентификации.

Для целей аутентификации РРР предлагает по умолчанию протокол РАР (Password Authentication Protocol) , передающий пароль по линии связи в открытом виде, или протокол CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol) , не передающий пароль по линии связи и поэтому обеспечивающий большую безопасность сети.

Пользователям также разрешается добавлять и новые алгоритмы аутентификации.

Многопротокольная поддержка

Способность протокола РРР поддерживать несколько протоколов сетевого уровня обусловила распространение РРР как стандарта де-факто.

В отличие от протокола SLIP, который может переносить только IP-пакеты, РРР работает со многими протоколами сетевого уровня, а также протоколами канального уровня локальной сети.

Каждый протокол сетевого уровня конфигурируется отдельно с помощью соответствующего протокола NCP.

Расширяемость протокола.

Под расширяемостью понимается как возможность включения новых протоколов в стек РРР, так и возможность использования собственных протоколов пользователей, вместо рекомендуемых в РРР по умолчанию. Это позволяет наилучшим образом настроить РРР для каждой конкретной ситуации.

Независимость от глобальных служб.

Начальная версия РРР работала только с кадрами HDLC. Теперь в стек РРР добавлены спецификации, позволяющие использовать РРР в любой технологии глобальных сетей.

Для связи двух локальных сетей по арендуемому или собственному выделенному каналу могут использоваться мосты. Эти устройства нужны для того, чтобы по выделенному каналу пересылались не все кадры, циркулирующие в каждой локальной сети, а только те, которые предназначены для другой локальной сети.

Итак, сначала необходимо решить проблему физического сопряжения выходного порта моста с аппаратурой передачи данных, подключаемой непосредственно к абонентскому окончанию линии.

Если канал аналоговый, то это интерфейс с модемом, а если цифровой - то с устройством DSU/CSU. Само подключение, в зависимости от требований (для низкоскоростных, или высокоскоростных), производится с помощью стандартного соответствующего интерфейса.

В данном примере выбрано в качестве примера соединение через цифровой канал Е1, поэтому мост использует для подключения к каналу устройство DSU/ CSU с внутренним интерфейсом RS-449 и внешним интерфейсом G.703.

Если же выделенный канал был бы аналоговым, вместо этого устройства необходим был бы модем, который поддерживал бы режим работы по выделенной линии, причем кроме других различных критериев (скорость, контроль ошибок, компрессия) необходимо учитывать возможность модема работать по предоставленному абонентскому окончанию: 4-проводному или 2- проводному.

После решения проблем физического уровня удаленные мосты готовы к работе.

После включения каждый мост начинает передавать все кадры из своей локальной сети в выделенный канал и одновременно (так как практически все выделенные каналы дуплексные) принимать кадры из выделенного канала.

На основании проходящего трафика каждый мост строит адресную таблицу и начинает передавать в выделенный канал кадры только тем станциям, которые действительно находятся в другой сети, а также широковещательные кадры и кадры с неизвестными МАС - адресами.

Современные удаленные мосты при пересылке кадров локальных сетей упаковывают их в кадры протокола РРР.

Переговорная процедура, которую ведут мосты при установлении РРР-соединения, сводится в основном к выбору параметров канального уровня с помощью протокола LPC, а также к взаимной аутентификации (если такая процедура задана в параметрах протокола РРР обоих мостов).

Как и в локальных сетях, важной характеристикой удаленных мостов является скорость фильтрации и скорость маршрутизации пакетов, которые часто ограничиваются не внутренними возможностями устройства, а скоростью передачи данных по линии.

Для устойчивой работы сети скорость маршрутизации устройства должна быть выше, чем средняя скорость межсетевого трафика.

При объединении сетей с помощью выделенного канала рекомендуется сначала выяснить характер межсетевого трафика - его среднее значение и пульсацию.

Чаще при выборе канала ориентируются на среднее значение межсетевого трафика.

Для преодоления ограничений на скорость линии, а также для уменьшения части локального трафика, передаваемого по глобальной линии, в удаленных мостах, работающих на глобальные каналы, используются специальные приемы, отсутствующие в локальных устройствах.

Эти приемы не входят в стандарты протоколов, но они реализованы практически во всех устройствах, обслуживающих низкоскоростные каналы, особенно каналы со скоростями в диапазоне от 9600 бит/с до 64 Кбит/с. К таким приемам относятся технологии сжатия пакетов, спуфинга и сегментации пакетов.

Таким образом, мы рассмотрели наиболее важные особенности глобальных сетей с использованием выделенных линий. Давайте, еще раз повторим, что мы узнали сегодня об этом виде глобальной сети.

Выделенные каналы широко используются для образования глобальных связей между удаленными локальными сетями.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от аппаратуры длительной коммутации. В аналоговых каналах используются FDM-коммутаторы, а в цифровых - TDM. Ненагруженные каналы не проходят через мультиплексоры и коммутаторы и используются чаще всего как абонентские окончания для доступа к глобальным сетям.

Аналоговые каналы делятся на несколько типов: в зависимости от полосы пропускания - на каналы тональной частоты (3100 Гц) и широкополосные каналы (48 кГц) , в зависимости от типа окончания - на каналы с 4-проводным окончанием и каналы с 2-проводным окончанием.

Для передачи компьютерных данных по аналоговым каналам используются модемы.

Модемы для работы на выделенных каналах бывают следующих типов:

асинхронные, асинхронно-синхронные и синхронные модемы;

модемы для 4- и 2-проводных окончаний;

модемы, работающие только в полудуплексном режиме,

дуплексные модемы;

модемы, поддерживающие протоколы коррекции ошибок;

широкополосные модемы и модемы для канала тональной частоты.

Широкополосные модемы работают только по 4-проводным окончаниям в дуплексном синхронном режиме. Многие модели модемов для тонального канала могут работать в различных режимах, совмещая, например, поддержку асинхронного и синхронного режимов работы, 4- и 2-проводные окончания.

Стандарт V.34+ является наиболее гибким и скоростным стандартом для модемов тонального канала, он поддерживает как выделенные, так и коммутируемые 2-проводные окончания.

Цифровые выделенные каналы образуются первичными сетями двух поколений технологии - PDH и SONET/SDH. Эти технологии существуют в двух вариантах - североамериканском и европейском. Эти два варианта технологий PDH несовместимы.

В цифровых первичных сетях используется иерархия скоростей каналов, с помощью которой строятся магистральные каналы и каналы доступа. Технология PDH поддерживает следующие уровни иерархии каналов: абонентский канал 64 Кбит/с (DS-0), каналы Т1/Е1 (DS-1), каналы Т2/Е2 (DS-2) (редко сдаваемые в аренду) и каналы ТЗ/ЕЗ (DS-3) . Скорость DS-4 на практике не используется.

Технология PDH разрабатывалась как асинхронная, поэтому кадры различных скоростей разделяются специальными битами синхронизации.

В этом причина основного недостатка каналов этой технологии - для получения доступа к данным одного низкоскоростного абонентского канала необходимо произвести полное демультиплексирование высокоскоростного канала, например ЕЗ, а затем снова выполнить мультиплексирование 480 абонентских каналов в канал ЕЗ. Кроме того, технология PDH не обеспечивает автоматической реакции первичной сети на отказ канала или порта.

Технология SONET/SDH ориентируется на использование волоконно-оптических кабелей. Эта технология также включает два варианта - североамериканский (SONET) и европейско-международный (SDH) , но в данном случае они являются совместимыми.

Технология SONET/SDH продолжает иерархию скоростей каналов PDH - до 10 Гбит/с. Технология основана на полной синхронизации между каналами и устройствами сети, которая обеспечивается наличием центрального пункта распределения синхронизирующих импульсов для всей сети.

Каналы иерархии PDH являются входными каналами для сетей технологии SONET/SDH, которая переносит ее по своим магистральным каналам.

Синхронная передача кадров различного уровня иерархии позволяет получить доступ к данным низкоскоростного пользовательского канала, не выполняя полного демультиплексирования высокоскоростного потока. Техника указателей позволяет определить начало пользовательских подкадров внутри синхронного кадра и считать их или добавить "на лету". Эта техника называется техникой "вставки и удаления" (add and drop) пользовательских данных.

Сети SONET/SDH обладают встроенной отказоустойчивостью за счет избыточности своих кадров и способности мультиплексоров выполнять реконфигурирование путей следования данных. Основной отказоустойчивой конфигурацией является конфигурация двойных волоконно-оптических колец.

Внутренние протоколы SONET/SDH обеспечивают мониторинг и управление первичной сетью, в том числе удаленное создание постоянных соединений между абонентами сети.

Первичные сети SONET/SDH являются основой для большинства телекоммуникационных сетей: телефонных, компьютерных, телексных.

Для передачи компьютерных данных по выделенным каналам любой природы применяется несколько протоколов канального уровня: SLIP, HDLC и РРР. Протокол РРР в наибольшей степени подходит для современных выделенных каналов, аппаратура которых самостоятельно решает задачу надежной передачи данных. Протокол РРР обеспечивает согласование многих важных параметров канального и сетевого уровня при установлении соединения между узлами.