Лекция №12. ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Проверка адекватности обучения

Даже в случае успешного, на первый взгляд, обучения сеть не всегда обучается именно тому, чего от неё хотел создатель. Известен случай, когда сеть обучалась распознаванию изображений танков по фотографиям, однако позднее выяснилось, что все танки были сфотографированы на одном и том же фоне. В результате сеть «научилась» распознавать этот тип ландшафта, вместо того, чтобы «научиться» распознавать танки^[12]. Таким образом, сеть «понимает» не то, что от неё требовалось, а то, что проще всего обобщить.

Первоначально глобальные сети решали задачу доступа удаленных ЭВМ и терминалов к мощным ЭВМ, которые назывались HOST-компьютер (часто используют термин сервер). Такие подключения осуществлялись через коммутируемые или некоммутируемые каналы телефонных сетей или через специальные выделенные сети передачи данных, например, работающие по протоколу Х.25.

Для подключения к таким сетям передачи данных использовались модемы, работающие под управлением специальных телекоммуникационных программ, таких как BITCOM, COMIT, PROCOM, MTEZ и т.д. Эти программы, работая под операционной системой MS-DOS, обеспечивали установление соединения с удаленным компьютером и обмен с ним информацией.

С закатом эры MS-DOS их место занимает встроенное в операционные системы коммуникационное программное обеспечение. Примером могут служить средства Windows 95 или удаленный доступ (RAS) в Windows NT.

В настоящее время все реже используются подключенные к глобальным сетям одиночные компьютеры. Это в основном домашние ПК. В основной массе абонентами компьютерных сетей являются компьютеры, включенные в локальные вычислительные сети (ЛВС), и поэтому часто решается задача организации взаимодействия нескольких удаленных локальных вычислительных сетей. При этом требуется обеспечить удаленному компьютеру связь с любым компьютером удаленной локальной сети и, наоборот, любому компьютеру ЛВС с удаленным компьютером. Последнее становится весьма актуальным при расширении парка домашних и переносных компьютеров.

Каким же образом и с использованием какого оборудования решаются эти задачи? В настоящее время существует великое множество организаций, предоставляющих такие услуги как за рубежом, так и в России. В России крупнейшими глобальными компьютерными сетями считаются «Спринт-Сеть» – современное название Global One, сеть Инфотел, сети Роснет и Роспак, работающие по протоколу Х.25, а также сети RELCOM и Internet, работающие по протоколу TCP/IP, и многие другие.

В качестве сетевого оборудования используются центры коммутации, которые для сетей Х.25 часто исполняются как специализированные устройства фирм-производителей Siemens, Telnet, Alcatel, Ericsson и др., а для сетей с TCP/IP используются маршрутизаторы фирм Cisco и Decnis. Структуры сетей показаны на рисунке 16.

Рассмотренные два направления развития техники и технологии Х.25 и TCP/IP в глобальных сетях не единственные. На сегодняшний день в связи с улучшением качества каналов существенное распространение получают новые технологии, такие как рассмотренная выше ATM и усовершенствованная технология Х.25 для высококачественных каналов – Frame Relay.

Протокол FRAME RELAY (FR). Frame Relay – это протокол, который описывает интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик и обеспечивает высокие скорости прохождения информации через сеть, малые времена задержек и рациональное использование полосы пропускания.

В отличие от сетей Х.25 по сетям FR возможна передача не только собственно данных, но также оцифрованного голоса.

Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (рисунок 17), FR – протокол второго уровня. Однако он не выполняет некоторых функций, обязательных для протоколов этого уровня, но выполняет функции протоколов сетевого уровня. В то же время FR позволяет устанавливать соединение через сеть, что в соответствии с OSI относится к функции протоколов третьего уровня. Выполнение этой функции по протоколу FR аналогично установлению соединения по протоколу Х.25 в том случае, когда используются постоянные виртуальные соединения (Permanent Virtual Circuits – PVC).

Совокупность PVC может быть проложена внутри каждого физического канала. Выбор конкретного PVC – логического маршрута, проложенного через сеть, – определяется значением поля DLCI (Data Link Connection Identifier – идентификатор соединения по звену передачи данных) кадра FR (рисунок 18).

Для обращения к ресурсу управления сети в протоколе FR используются кадры со значением DLCI, равным 0. Следует уточнить, что они используются не для передачи информации от одного абонента сети к другому, а именно как служебные для изменения и мониторинга параметров самой сети.

Возможность использования коммутируемых виртуальных соединений (Switched Virtual Circuits – SVC) в сетях FR описывается факультативными протоколами.

За исключением функции установления соединения, все остальные процедуры, описываемые протоколом FR, укладываются в два уровня модели OSI.

Frame Relay и Х.25. Сопоставим структуры кадра протокола LAPB с заключенным в нем пакетом Х.25 (рисунок 19) и кадра протокола FR (см. рисунок 18).

По своей структуре кадр FR аналогичен кадрам LAPB (HDLC). Однако в нем отсутствуют некоторые поля, характерные для протоколов уровня звена передачи данных (канального). На рисунке 18 видно, как уменьшается число служебных байтов при переходе от X.25/LAPB к FR.

Заметим, что такое сопоставление кадров правомерно, поскольку сети FR в некоторых случаях выступают альтернативой сетям Х.25. Так, ЛВС могут подключаться к территориальной сети непосредственно по интерфейсу FR. Тогда FR выполняет те же функции по обеспечению взаимодействия удаленных ЛВС, которые в других случаях выполняет Х.25.

Сеть FR также может выступать в качестве высокоскоростной магистрали для объединения ряда сетей Х.25. Этому способствует наличие у большинства современных устройств ПАД/ЦКП сетей Х.25 портов FR.

Более подробно отличия механизмов сетей FR и Х.25 прослеживаются в таблице 3.

Таблица 3. Механизмы сетей Х.25 и Frame Relay

Плата за скорость. Каковы же основные механизмы, реализуемые протоколами канального и сетевого уровней сетей Х.25 и не реализуемые протоколом FR? В первую очередь это механизм повторной передачи принятых с ошибкой кадров.

В сетях Х.25 гарантированная передача данных обеспечивается на канальном уровне. Это означает, что все переданные между двумя узлами сети кадры будут получены в той же последовательности, в которой были отправлены. В случае искажения какого-либо кадра происходит его повторная передача. Кроме того, на сетевом уровне, определяемом рекомендацией Х.25, гарантируется передача пакетов, содержащихся в поле данных кадров, что обеспечивает целостность потока данных даже в случае выхода из строя некоторых каналов передачи данных.

Для реализации этой функции в служебные поля кадров и пакетов вводятся специальные переменные – номер передаваемого кадра (пакета) и номер последнего успешно принятого (пакета).

Кадр FR не содержит переменных нумерации передаваемых и подтверждаемых кадров.

В сетях FR при межузловом обмене информацией ошибочные кадры просто «выбрасываются», их повторная передача средствами самого протокола FR не предусмотрена. Чтобы обеспечить гарантированную и упорядоченную передачу информации, надо использовать либо протоколы более высоких уровней (например, TCP/IP), либо «приложения» к протоколам FR (например, Q.922).

В каких случаях использование «чистого» FR эффективно? Если качество каналов отвечает требованиям, предъявляемым стандартом FR (вероятность ошибки порядка 10^-7), и ЛВС подключаются к сети напрямую (без дополнительной инкапсуляции (включения) трафика ЛВС в кадры Х.25 или HDLC), то выигрыш по пропускной способности очевиден.

Действительно, протокол FR имеет минимальную протокольную избыточность (т.е. доля служебной информации в кадре по отношению к содержащейся в нем информации пользователя минимальна) по сравнению даже с HDLC-подобными протоколами, обычно используемыми в мостах/маршрутизаторах удаленного взаимодействия ЛВС. В то же время FR позволяет производить маршрутизацию информации в рамках территориальной сети на «своем» уровне, без использования механизмов маршрутизации по Х.25 или IP. Это значительно увеличивает скорость маршрутизации.

Однако ситуация в корне меняется, если качество канала не соответствует требованиям протокола. В этом случае немало кадров будет передаваться с ошибкой. Повторная их передача будет производиться от одной точки входа в сеть до другой. Ясно, что при этом информационная скорость значительно упадет и использование Х.25 может быть более эффективным.

Специфические механизмы FRAME RELAY. Управление загрузкой сети. Эффективность FR определяется на самом деле не только уменьшением протокольной избыточности. В протоколе реализуются специфические механизмы, управляющие загрузкой сети, которые гарантируют доведение кадров через сеть за определенное время (что позволяет, например, передавать оцифрованную голосовую информацию) и при этом дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерному во времени трафику. Эти механизмы отчасти заменяют процедуру управления потоком в том виде, в котором она определена в HDLC-подобных протоколах.

Регулирование загрузкой сети описывается параметрами CIR (Committed Information Rate – согласованная информационная скорость – измеряется в бит/с) и Be (Committed burst size – согласованный импульсный объем переданной информации – измеряется в битах), назначаемыми для каждого PVC. Обычно CIR меньше, чем физическая скорость подключения пользователя к порту сети FR.

При подключении к сети пользователь обычно получает значения CIR и Bc по каждому PVC. Он может передавать информацию либо с постоянной скоростью, равной CIR, либо с большей скоростью, но только в течение ограниченного времени, значение которого определяется формулой T = Bc/CIR.

Если пользователь передает информацию в строгом соответствии с полученными величинами CIR и Bc, а сеть функционирует надежно, то за счет рационального распределения ресурсов сети передача данных с требуемым качеством гарантируется.

Если пользователь не укладывается в рамки, задаваемые значениями CIR и Bc, то все «избыточные» кадры передаются сетью с установленным битом DE (Discard Eligible), т.е. признаком разрешения сброса.

Сброс кадров происходит в том случае, когда в сети возникает перегрузка. Насколько опасна передача «избыточных» кадров, зависит от организации служб конкретной сети.

Правильно используя механизм управления загрузкой сети, можно оптимальным образом сочетать в одном физическом канале типы трафика, имеющие различные вероятностно-временные характеристики.

Управление потоком. Frame Relay не предусматривает механизма управления потоком информации в том виде, в котором он реализован в HDLC. Кадры управления потоком в HDLC «разрешают» или «запрещают» передающей стороне дальнейшую передачу.

Вместо этого в кадре FR используются биты FECN (Forward Explicit Congestion Bit – бит явной сигнализации переполнения, направляемый вперед – получателю) и BECN (Backward Explicit Congestion Bit – бит явной сигнализации переполнения, направляемый назад – источнику). FECN информирует принимающую сторону о перегрузке в сети. На основании анализа частоты поступления FECN-битов приемник дает указание устройству передачи снизить интенсивность передачи. Торможение потока происходит средствами протоколов более высоких, чем FR, уровней (Х.25, TCP/IP и т.п.). BECN посылается на передающую сторону и является рекомендацией немедленно снизить темп передачи. В большинстве типов ООД используется только один из указанных битов.

В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. При этом вместо них применяются неявные (implicit) механизмы регулирования потока, которые реализуются с помощью средств протоколов более высокого уровня. В TCP/IP, например, применяется в основном механизм неявной коррекции. Следует уточнить, что в любом случае механизм неявной коррекции обладает большей инерционностью, чем механизм явной коррекции. При неявной коррекции управление потоком может сработать с запозданием, когда ситуация переполнения в сети уже станет критической.

Если пользователь уверен, что администрация магистральной сети даже при нулевом значении CIR обеспечит ему необходимую пропускную способность, то он может не слишком заботиться о регулировании потока информации, передаваемой его устройством доступа. В противном случае пользователь должен удостовериться, что механизмы защиты от перегрузки (а значит, и от потери данных), реализованные в используемом им устройстве доступа к сети, являются эффективными.

Рассмотренные в главе технологии постоянно развиваются. Кажущиеся сегодня перспективными технологии завтра таковыми не будут. Таким образом, только постоянный анализ развития сетевых технологий позволит правильно выбрать наиболее удачную, отвечающую конкретным требованиям пользователя.