Глава 1: Протоколы и технологии глобальных сетей.
Цифровые потоки T1 и E1. Начало.
(PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy, почти синхронная цифровая иерархия)
Данное решение было призвано удовлетворить возрастающие потребности операторов, предоставляющих услуги связи.
В то время в США местная телефония была хорошо развита и изменений в клиентской сети, которая была выстроена на базе медных пар, не планировалось.
А так как основной задачей была передача голоса, а о передаче данных еще не задумывались, основные усилия были сосредоточены на построении магистральных сетей и алгоритмов их эффективной эксплуатации.
Для передачи нескольких каналов голосовой связи в одном потоке данных в построенных системах использовались так называемые тайм-слоты, основанные на принципах импульсно-кодовой модуляции и методе мультиплексирования с разделением каналов по времени (Time Division Multiplexing или TDM). Суть данной технологии сводится к тому что за единицу времени происходит передача последовательности определенного количества кадров, каждый из которых представляет собой кусочек данных внутренних каналов. Передача последовательности и временные промежутки между передачей кадров строго установлены, таким образом достигается одновременная строго синхронная передача всех дочерних каналов.
Данная технология находилась на вершине мирового прогресса. Так поток Т1, который был способен передать 24 тайм-слота со скоростью 1.536 Mbit/s был принят за основу в Японии, Канаде и США, а поток Е1 – 2,048 Mbit/s, способный передавать 30 каналов телефонии со скоростью 64 кбит/с и имеющий два дополнительных канала сигнализации (16 тайм-слот) и синхронизации (нулевой тайм-слот) был принят за стандарт в Европе и Советском союзе.
Тайм слоты и в том и в другом случае были -64Kbit/s. Почему? Очень просто – они определялись скоростью дискретизации измерения уровня звука в телефонной линии – 8kHz * 8 bit – глубину кодирования уровня звукового сигнала. Таким образом – 8k*8bit =64KBit/s.
В результате все межстанционные соединения в последствии, и до сих пор представляют собой или T1 или E1 потоки, внутри которых передаются данные конкретного разговора двух абонентов, а в сигнальных слотах передаются данные о состоянии этих слотов – подключен, отключен, занят, доступен и прочее.
Конечно же, потребовалось укрупнять и объединять цифровые потоки T1 и E1 в более крупные цифровые образования, с сохранением их внутренней структуры на всех уровнях.
Развитие технологий Т1 и Е1 привело к появлению плезиохронной цифровой иерархии - PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), стандартизированных потоков со скоростями 8,448 - 34,368 - 139,264 - 564,992 Мбит/с, получивших название E2 - E3 - E4 - E5 и T1 – T2 – T3 – T4 –T5.
(об этом можно прочитать здесь)
Данные стандарты до сих пор находят свое применение в телефонии и передаче данных.
Конечно, с развитием современных оптических технологий от PDH полностью отказались, однако в сетях на базе медного кабеля она по-прежнему не заменима.
Структура сети PDH
Сеть PDH по-прежнему является удобной для строительства отдельных каналов, но использование ее в построении глобальных сетей не целесообразно. Каждое устройство имеет свой тактовый генератор, который работает с отклонением от других генераторов. Из двух приемопередатчиков ведущий узел задает синхронизацию, а ведомый под него подстраивается. По этому такая «почти синхронная» иерархия и получила название плезиохронной. При этом единая синхронизация для глобальной сети не предусмотрена.
Синхронная цифровая иерархия SDH
(SDH — Synchronous Digital Hierarchy)
С усложнением структуры сетей и в процессе объединения сетей разных операторов возникли проблемы, связанные с синхронизацией узлов и извлечением из общего потока составляющих каналов.
При использовании независимой синхронизации разных узлов с использованием выравнивающих бит, для извлечения из потока Е4 поток Е1, необходимо демультиплексировать Е4 на четыре потока Е3, после чего один из потоков Е3 на четыре Е2 из которого получить требуемый Е1.
На смену такому сложному и дорогому, особенно для высокоскоростных систем методу в 80-х годах была разработана технология SONET/SDH, которая представляла собой взаимодействие синхронной оптическая сети SONET и синхронной цифровой иерархии SDH .
В данной системе в качестве минимальной транспортной единицы используется контейнер, размер служебной части которого составляет 540 байтов, а размер полезной нагрузки 1890 байтов. В остальном, механизм преобразования и передачи данных слишком сложен и не может быть изложен кратко в контексте этой статьи.
Для того, чтобы технология захватила рынок и использовалась в большинстве транспортных сетей во всем мире, понадобилось сделать ее совместимой с предыдущим оборудованием и потоками PDH.
При этом, если не учитывать появление малораспространенных кросс-коннекторов, связь между потоками, или их изменение не прудсматривается. А саму технологию упрощенно можно представить как некоторое количество каналов Т1/Е1, которые объединены (мультиплексированы) в оин канал Sonet/SDH.
Судя по схеме, мультиплексоры (MUX) установлены на АТС, а собранные с других мультиплексоров потоки Е1 переводятся в медные аналоговые линии. Такая схема была построена под нужды телефонии.
С целью оптимизировать пропускную способность межстанционных соединений, производится подбор соотношения количества абонентских линий и используемых потоков. Такой способ прост, понятен, но не достаточно экономичен.
Использование низкоскоростных кодеков и подавления пауз не распространилось из-за довольно высоких скоростей в сети, которые составляют: STM-1 - 155 Мегабит, STM-4 - 622 Мегабита, STM-16 - 2,4 Гигабита.
Кроме того, добавился нерешенный вопрос последней мили и неудобство использования передачи данных с помощью статической структуры точка-точка. Поэтому для передачи данных на прямую используют протоколы, использующие SDH в качестве магистрального транспорта.
Коммутация пакетов на примере Frame Relay
(«ретрансляция кадров»)
Постепенно уходящая в историю технология Х.25 стала первой технологией, соединяющей глобальные и локальные сети.
Ей на смену в 1984 году пришли более прогрессивные сети Frame Relay .
В приемник после передачи собираются кадры (или, как их еще называют, фреймы) разной длины с заголовком и адресом получателя, которые разделяются передающим устройством.
Несмотря на то, что следом за поддержкой скорости в 2 Мбита у некоторых вендоров появились варианты, которые поддерживали скорости до 44,725 Мбит/с достаточно широкого распространения они не получили так как не смогли конкурировать с появившимися АТМ.
В данной системе в качестве минимальной транспортной единицы используется контейнер, размер служебной части которого составляет 540 байтов, а размер полезной нагрузки 1890 байтов. В остальном, механизм преобразования и передачи данных слишком сложен и не может быть изложен кратко в контексте этой статьи.
Для того, чтобы технология захватила рынок и использовалась в большинстве транспортных сетей во всем мире, понадобилось сделать ее совместимой с предыдущим оборудованием и потоками PDH.
При этом, если не учитывать появление малораспространенных кросс-коннекторов, связь между потоками, или их изменение не прудсматривается. А саму технологию упрощенно можно представить как некоторое количество каналов Т1/Е1, которые объединены (мультиплексированы) в оин канал Sonet/SDH.
Для регулирования скорости используются два параметра CIR (минимальная информационная скорость) и AR (скорость физического канала), и может быть организована своя топология соединений при использовании задания своего виртуального канала (PVC, permanent Virtual Circuit – постоянные виртуальные каналы) для каждого типа трафика.
Для организации каналов менее Е1 используют мультиплексоры TDM, для того. чтобы соединить узлы Frame Relay применяют сеть SDH.
Практическое применение скоростей более 128 кбит не частое явление, для соединения на "последней миле" недавно появилось оборудование, но широко применения оно так и не получило из-за появления более совершенных технологий.
При этом, благодаря высокому уровню защиты данных и прозрачности FR для протоколов более высокого уровня данная технология получила широкое распространение в распределенных банковских и корпоративных сетях.
Универсальная технология ATM
( Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных)
А тем временем в 1974 году была разработана, а в 1984 стандартизована технология, которая обеспечивает передачу данных по медным проводам со скоростью 144 Кбит/с. Эта технология получила название технологии цифровой сети интегрального обслуживания - ISDN (Integrated Service Digital Network).
Благодаря развитым средствам приоретизации трафика предполагалось в отличие от Frame Relay использовать ISDN для двух типов передачи: голоса и данных.
Однако низкие скорости передачи ISDN (обычно 64кбит/с) затрудняли решение поставленной задачи, а потому вскоре появилась новая широкополосная технология, которая получила название режима асинхронной передачи или АТМ (Asynchronous Transfer Mode). Ее принципиальной особенностью является возможность применения на скоростях от 1,5 Мбит/с до 40 Гбит/с. А основным достоинством стала возможность легкой интеграции с уже существующими сетями SDH.
Схема сети ATM
Появление АТМ можно считать поворотным моментом за всю историю развития коммуникаций. К тому времени на каждый вид связи приходилась как минимум одна узкоспециализированная транспортная сеть.
Каждая выделенная структура нуждалась в дорогостоящем и трудоемком этапе разработки, производства и технического обслуживания.
Но самым большим минусом было отсутствие возможности использования ресурсов одной сети другой сетью при физических каналах высокой стоимости.
В конце 90-х появляется технология Gigabit Ethernet, которая начинает конкурировать с ATM. Главными достоинствами первой является значительно более низкая стоимость, простота, легкость в настройке и эксплуатации. Также, переход с Ethernet или Fast Ethernet на Gigabit Ethernet можно было осуществить значительно легче и дешевле. Проблему качества обслуживания Gigabit Ethernet мог решить за счет покупки более дешевой полосы пропускания с запасом, нежели за счет умного оборудования. К окончанию 90-х гг. стало ясно что ATM будет продолжать доминировать только в сетях WAN , то есть корпоративных сетях. Продажи свитчей ATM для WAN продолжали расти, в то время как продажи свитчей ATM для LAN стремительно падали.
Сегодня ATM является наиболее экономичной транспортной сетью электросвязи. Сокращение затрат и повышение эффективности происходит за счет того, что все виды информации транспортируются одним методом, возможно проектирование, создание, управление и обслуживание одной сети.
Однако не смотря на универсальность и множество достоинств АТМ зачастую уступала в некоторых частных случаях. Как универсальная и сложная система АТМ была не самым дешевым решением, а настройка и устранение неполадок на этапе внедрения и начальных стадиях эксплуатации требовала высокой квалификации.
По этой причине в построении локальных сетей АТМ уступила первенство Ethernet.
В телекоммуникациях альтернатива АТМ практически отсутствует и она является основной технологией при построении транспортных сетей. Ethernet в свою очередь начинает теснить АТМ благодаря простоте и дешевизне, но до главенствующей позиции ему еще очень далеко.
Оценивая в общем всю отрасль, можно сказать, что она состоит из Sonet/SDH используемой в качестве транспорта АТМ и Frame Relay. Локальные сети конечных пользователей ресурсов сети передачи данных связывают именно они.
Основные методы коммутации
- многоскоростная коммутация каналов,
- быстрая коммутация каналов,
- быстрая коммутация пакетов,
- коммутация пакетов или кадров.
В том случае, если необходимо объединить несколько каналов передачи голоса в один поток, возникает необходимость коммутировать или управлять отдельными каналами.
Это достигается путем временного разделения потока (например, Е1) для транспортировки данных в узкополосных цифровых сетях и аналоговых сетях цифровой связи. При этом используется несколько фиксированных тайм-слотов для передачи информации по каждому каналу.
Однако коммутация данных не является лучшим способом использования магистральных сетей. Такой метод не достаточно гибок, так как количество тайм-слотов однозначно определяет скорость передачи, а место в потоке занято постоянно, вне зависимости от того передаются в канале данные или нет.
С целью устранить недостатки этого метода был разработан метод многоскоростной коммутации каналов. Он позволял использовать несколько каналов с различными временными интервалами и, следовательно, скоростями передачи.
Но метод имел свои недостатки. Так, в случае занятости низкоскоростного канала ни одно низкоскоростное соединение не могло быть установлено, даже в том случае, если более высокоскоростные каналы были при этом свободны.
Технология быстрой коммутацией каналов, основана на тех же методах временного разделения, но соединение устанавливается только тогда, когда требуется передача данных.
Технология, которая при тех же методах временного разделения устанавливает соединение только при передаче данных, получила название технология быстрой коммутации каналов.
Как пример, можно привести обычный телефонный разговор. При быстрой коммутации в процессе разговора будет установлено несколько последовательных соединений, для передачи отдельных фрагментов разговора. А при многоскоростной коммутации каналов будет установлено одно соединение на всю длительность разговора.
Метод быстрой коммутации привлекателен с точки зрения эффективности использования канала, но есть и минусы. Отсутствует гарантированная задержка и значительно повышается сложность и стоимость программно-аппаратного комплекса. Поэтому зачастую на практике используют простую коммутацию каналов с синхронной иерархией Sonet/SDH.
И кадр, и пакет в общем случае могут иметь разную длину, и выделяются из общего массива информации только благодаря специальным последовательностям символов (флагам, заголовкам).
Из общего массива информации и кадры, и пакеты выделяются благодаря последовательностям символов, которые называют флагами или заголовками, а в общем случае могут иметь разную длину.
Наглядным примером коммутации кадров служит протокол ретрансляции кадров Frame Relay.
Коммутаторы определяют маршрут данных, создают и хранят очереди пакетов и кадров при перезагрузке транспортной системы, а информация разных пользователей или служб передается по одному потоку (каналу).
Если рассматривать довольно популярный в настоящее время Ethernet, то внутри сети пакеты передаются всем пользователям, а вместо механизма работы с очередями на пограничных узлах используется простая маршрутизация каждого пакета данных.
Однако с точки зрения метода переноса информации Frame Relay и Ethernet обладают общим серьезным недостатком, так как не могут обеспечивать постоянную скорость.
Тут надо сделать существенное дополнение. Современный Frame Relay имеет развитые механизмы управления скоростью, позволяющие обойти этот недостаток. То же самое можно сказать и про коммутируемый Ethernet - новое оборудование вполне надежно использует механизмы очередей, приоретизации трафика QoS (Quality of Service), и другие атрибуты транспортных сетей.
В то же время здесь следует отметить, что коммутируемый Ethernet имеет новое оборудование, которое так же использует механизмы построения очередей и приоретезации трафика, а современный Frame Relay имеет эффективный механизм управления скоростью.
В качестве примера быстрой коммутации пакетов можно привести АТМ. Информация всех типов разбивается на пакеты, называемые ячейками. Размер ячейки составляет 53 байта, из них 5 байт отводится под заголовок. Далее ячейки, которые заисимости от принадлежности к типу службы, могут иметь разный приоритет, мультиплексируются в едином цифровом траке.
Однако стоит уточнить, что АТМ нельзя в полной мере назвать методом быстрой коммутации пакетов, а так же что она обеспечивает гарантированную постоянную скорость.
Несмотря на то, что ячейка очень мала, она имеет определенную длину и байт информации вызывает передачу всего пакета.
Однако при реальном использовании данное допущение вполне приемлемо.