Курс лекций "Сетевым технологиям"

Техника виртуальных каналов  и дейтаграммные  сети

Принцип работы

Практически все технологии пакетных сетей, специально разработанных для применения в  глобальном масштабе, продвигают данные на основе техники виртуальных каналов.

Существует  два типа виртуальных каналов —

• коммутируемый виртуальный капал (Switched Virtual Circuit, SVC) и
• постоянный виртуальный канал (Permanent Virtual Circuit, PVC).

 При  создании коммутируемого виртуального  канала коммутаторы сети настраиваются на передачу пакетов автоматически, по запросу конечного (иногда и промежуточного) узла сети, а создание постоянного виртуального канала происходит заранее, причем коммутаторы настраиваются вручную администратором сети, возможно, с привлечением централизованной системы управления сетью и некоторого служебного протокола (пока чаще всего — фирменного). Фактически при создании коммутируемого виртуального канала используется протокол сигнализации, подобный протоколам сигнализации телефонных сетей. Даже названия протоколов сигнализации пакетных сетей указывают на то, что в их основе лежит определенный протокол телефонной сети — протокол Q.933 сети frame relay и протокол Q.2931 ведут свое происхождение от протокола Q.931 сети ISDN.

Коммутируемые виртуальные каналы

Рассмотрим  сначала процесс создания коммутируемого виртуального канала, то есть SVC.

Создание  коммутируемого виртуального канала требует  наличия в коммутаторах таблиц маршрутизации, аналогичных тем, которые используются дейтаграммными сетями, например сетями IP. Пример такой таблицы приведен на рис. 1. Рисунок иллюстрирует процесс прокладки виртуального канала между узлами N1,A1 и N2,A2 через сеть, представленной здесь двумя коммутаторами R1 и R2. В таблице маршрутизации указывается адрес сети назначения (в примере для определенности используются 3-байтовые адреса подсетей и 2-байтовые адреса конечных узлов, на практике в глобальных сетях на основе виртуальных каналов часто применяются более длинные адреса стандарта E.164).

1. Установление  коммутируемого виртуального канала  выполняется некоторым служебным протоколом, выполняющим роль протокола сигнализации. Установление виртуального канала начинается с того, что узел-инициатор N1,A1 генерирует специальный пакет — запрос на установление логического соединения с узлом N2,A2. В нашем обобщенном примере этот запрос назван Call Setup (такое же название он носит и в некоторых реальных протоколах сигнализации, например в Q.933 и Q.2931). Это запрос содержит многоразрядный адрес узла назначения (в примере это 132456.8112, где старшая часть — номер подсети, а младшая — номер узла), а также начальное значение идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI) — 102.

Узел-инициатор  должен выбрать коммутатор сети, которому целесообразно передать запрос на установление канала. Такой выбор может происходить на основе таблицы маршрутизации узла-отправителя, но если узел соединен с сетью единственным портом, как в приведенном примере, то таблица маршрутизации узлу, естественно, не требуется.

Присвоенный виртуальному каналу номер 102 имеет локальное значение для порта компьютера, через который устанавливается соединение. Так как через порт уже проходит виртуальный канал с номером 101, то программное обеспечение протокола сигнализации, работающее на конечном узле, просто выбрало первый свободный (не используемый в данный момент на данном порту) номер из разрешенного диапазона. Такой подход гарантирует уникальную идентификацию виртуальных каналов в пределах каждого порта.

Попав в буфер порта 1 коммутатора R1, пакет Call Setup обрабатывается в соответствии со своим адресом назначения и значениями таблицы маршрутизации» Запись с адресом 132456 говорит, что пакет нужно передать на порт 3. Заметим, что в приведенной таблице маршрутизации нет информации об адресе следующего коммутатора — в отличие от таблиц сетей IP. Это связано с тем, что в глобальных сетях коммутаторы всегда связаны физическими каналами «точка-точка», не поддерживающими множественное подключение, типичное для технологий локальных сетей, поэтому номер выходного порта однозначно определяет следующий коммутатор.

2. После  определения выходного порта  коммутатор R1 генерирует новое значение номера виртуального канала, а именно 106. Это связано с тем, что на участке сети «порт 3 коммутатора R1 — порт 1 коммутатора R2» номер 102 уже используется — для другого виртуального канала, проходящего через эти порты. Первым свободным номером оказался 106, в пределах указанного локального участка сети он однозначно идентифицирует устанавливаемый виртуальный канал. Именно это обстоятельство имелось в виду, когда ранее отмечалось, что идентификаторы виртуальных каналов имеют локальный характер. После изменения значения идентификатора виртуального канала пакет Call Setup передается через выходной порт 3 в коммутатор R2.

Рис. 1. Установление виртуального канала

Одновременно  с продвижением пакета коммутатор создает  таблицу коммутации. Эта таблица потребуется впоследствии, когда виртуальный канал будет реализован и по нему начнут передаваться пользовательские данные, причем уже без адресов узлов назначения.

Каждая  запись таблицы коммутации состоит  из четырех основных полей:

• номер входного порта,
• входная метка (идентификатор виртуального канала в поступающих на входной порт пакетах),
• номер выходного порта и
• выходная метка (идентификатор виртуального канала в передаваемых через выходной порт пакетах). Запись в таблице коммутации «1-102-3-106» означает, что все пакеты, которые поступят на порт 1 с идентификатором виртуального канала 102, будут продвигаться на порт 3, а в поле идентификатора виртуального канала появится новое значение — 106.

Виртуальные каналы могут быть однонаправленными  и двунаправленными. В рассматриваемом  примере создается двунаправленный  канал, поэтому коммутатор создает еще одну запись в таблице коммутации — для продвижения пакетов в обратном направлении, от узла N2,A2 к узлу N1,A1. Эта запись является зеркальной по отношению к первой записи, так что пакет, идущий в обратном направлении, получит при выходе из порта 1 первоначальное значение метки, а именно 102. В результате узел N1.A1 правильно распознает принадлежность пришедшего пакета виртуальному каналу, несмотря на постоянные смены номеров в процессе путешествия пакета по сети.

3. Процедуру  установления виртуального канала  продолжает коммутатор R2: по адресу назначения, указанному в запросе, и по своей таблице маршрутизации (на рисунке она не показана) он определяет выходной порт и передает на него запрос, обновляя при этом поле идентификатора виртуального канала, а также формирует записи таблицы коммутации. В результате запрос Call Setup приходит в конечный узел со значением номера виртуального канала 108. Конечный узел, получив запрос, может его принять или отвергнуть (по своим внутренним причинам), сообщив о своем решении служебным пакетом Connect, который проходит по сети в обратном направлении, подтверждая коммутаторам и узлу-инициатору факт установления виртуального канала.

После получения подтверждения Connect конечные узлы могут начать пользоваться проложенным виртуальным каналом, посылая по нему пользовательские данные. Отправляемые узлом N1,A1 ячейки продвигаются на основе значения идентификатора виртуального канала, который обычно имеет небольшую длину, например, в технологии Х.25 он занимает всего полтора байта. Применение дейтаграммной техники потребовало бы резервирования 8-20 байт для адреса узла назначения (в зависимости от применяемой в сети разрядности адресов конечных узлов), что снизило бы коэффициент использования ячейки до неприемлемого уровня.

По  существу, техника коммутируемых виртуальных каналов использует два различных режима работы сети.

• При прокладке канала запрос на установление соединения передается по сети с использованием стандартного режима маршрутизации с глобальными (для всей сети) адресами назначения и информацией о полной топологии сети. То есть протоколы прокладки виртуальных каналов работают на сетевом уровне модели OSI.
• После установления соединения сеть начинает работать на основе локальных адресов и локальных таблиц продвижения, что позволяет отнести такой режим к канальному уровню модели OSI, а коммуникационные устройства — к классу коммутаторов (стандартное название для устройств этого уровня).

Постоянные  виртуальные каналы

Режим постоянных виртуальных каналов, то есть PVC, не позволяет узлам сети динамически прокладывать виртуальные каналы. Вместо этого администратор сети заранее создает таблицы коммутации вручную. Обычно для облегчения работы он использует ту или иную систему управления сетью, которой передает данные о том, через какие узлы должен проходить виртуальный канал. Эта система затем взаимодействует с коммутаторами сети, автоматически выбирая нужные значения меток и создавая записи таблиц коммутации. Использование в системах управления фирменных протоколов конфигурирования порождает проблему — обычно автоматизировать прокладку PVC можно только в пределах части сети, работающей на оборудовании одного производителя, а «сшивать» части PVC приходится вручную. Очевидно, что при создании PVC таблицы маршрутизации становятся ненужными, так как путь выбирается администратором. Для того чтобы созданный постоянный виртуальный канал мог быть использован, администратор должен ввести в конечные узлы, для которых канал создавался, его номер — для каждого конца канала свой.

Если  технология виртуальных каналов поддерживает только каналы PVC, то это дает основание считать ее только технологией канального уровня. Пример – технология Frame  Relay. Долгое время в этой технологии существовали каналы PVC и ее по праву считали канальной. И хотя сегодня сети Frame  Relay поддерживают оба типа каналов, ее по-прежнему называют канальной, имея в виду режим продвижения данных. Технология АТМ с самого начала поддерживала оба типа каналов, но ее по той же причине относят к технологии второго уровня.

Сети  Х.25

Назначение  и структура сетей  Х.25

Сети  Х.25 являются на сегодняшний день «старейшиной»  применяемых пакетных сетей, хотя популярность их быстро падает. Долгое время сети Х.25 были единственными доступными сетями с коммутацией пакетов коммерческого типа, в которых давались гарантии коэффициента готовности сети. Интернет также имеет долгую историю существования, но как коммерческая сеть он начал эксплуатироваться совсем недавно, поэтому для корпоративных пользователей выбора не было. Кроме того, сети Х.25 хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях — канальном и сетевом.

Стандарт  Х.25, «Интерфейс между оконечным  оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования» был разработан комитетом CCITT в 1974 году и пересматривался несколько раз.. Как видно из названия, стандарт не описывает внутреннее устройство сети Х.25, а только определяет пользовательский интерфейс с сетью. Взаимодействие двух сетей Х.25 определяет стандарт Х.75.

Технология  сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий

• Наличие в структуре сети специального устройства — PAD (Packet Assembler Disassembler), предназначенного для сборки нескольких низкоскоростных старт-стопных потоков байтов от алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. Эти устройства имеют также русскоязычное название сборщик-разборщик пакетов, CPП.
• Стандарт наилучшим образом подходит для передачи трафика низкой интенсивности, и в меньшей мере соответствует трафику локальных сетей.
• Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.
• Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети — сетевой уровень рассчитан на работу только с одним протоколом канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные сети.

Сеть  Х.25 состоит из коммутаторов (Switches, S), называемых также центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными каналами (рис. 2). Выделенные каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

Рис. 2. Структура сети Х.25

* 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Асинхронные старт-стопные терминалы подключаются к сети через устройства PAD. Они могут быть встроенными или удаленными. Встроенное устройство PAD обычно расположено в стойке коммутатора. Терминалы получают доступ к встроенному устройству PAD по телефонной сети с помощью модемов с асинхронным интерфейсом. Встроенное устройство PAD также подключается к телефонной сети с помощью нескольких модемов с асинхронным интерфейсом. Удаленное устройство PAD представляет собой небольшое автономное устройство, подключенное к коммутатору через выделенный канал связи Х.25. К удаленному устройству PAD терминалы подключаются по асинхронному интерфейсу, обычно для этой цели используется интерфейс RS-232C. Одно устройство PAD обычно обеспечивает доступ для 8, 16 или 24 асинхронных терминалов.