Сети на базе аналоговых и цифровых каналов

 

Наиболее широко распространенными каналами связи являются коммутируемые телефонные каналы связи. Чаще всего такие они используются для индивидуального удаленного доступа к сети. Телефонная сеть включает три основные компоненты: соединение абонента со станцией коммутации (локальная петля), станция коммутации (АТС), соединение между станциями коммутации (узловое соединение).

В настоящее время для передачи данных в телефонных сетях более подходит цифровая передача. Она имеет ряд преимуществ:

1. Затухание и нарушение формы здесь менее сильно, чем в аналоговой форме;

2. При ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его начальную форму, которая известна точно. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается;

3. Цифровая передача более надежна;

4. В цифровом виде можно передавать данные, голос и музыку одновременно и с большей скоростью;

5. Цифровая передача дешевле;

6. Цифровую сеть проще эксплуатировать.

Большинство городских телефонных сетей имеют главный центр коммутации, который взаимодействует с локальными АТС. Он представляет второй уровень иерархии, а линии между АТС и центром коммутации называют «узловыми». В телефонных сетях используются два способа коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов. Передача данных по узловым соединениям в настоящее время в основном осуществляется в цифровой форме. Однако в случае локальной петли - чаще всего используется аналоговая форма.

Для организации магистральной части глобальных сетей используются только выделенные телефонные каналы связи. Выделенный канал - это канал фиксированной пропускной способности, постоянно соединяющий двух абонентов. Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от аппаратуры коммутации. Выделенные линии могут быть разделены на две группы. Первая – это нагруженные каналы тональной частоты, проходящие через оборудование частотного уплотнения, расположенное на АТС. По физической природе линии аналогичны коммутируемым телефонным линиям, но обеспечивают лучшее качество прохождение сигналов. Вторая группа выделенных линий - ненагруженные физические проводные линии. Они могут кроссироваться на АТС, но не проходят через аппаратуру частотного уплотнения. Часто такие линии используются для связи внутри одного города.

Аналоговые выделенные каналы предоставляют для построения сетей наиболее простой сервис - сервис «голого» провода, на котором не определен способ представления бит информации в виде электромагнитных сигналов. Поэтому в таком канале можно использовать любые протоколы передачи данных, начиная с физического уровня. Аналоговые каналы делятся: в зависимости от полосы пропускания — на каналы тональной частоты и широкополосные каналы, в зависимости от типа окончания — на каналы с 4-проводным окончанием и каналы с 2-проводным окончанием. Аппаратура передачи данных использует на выделенной линии собственный протокол физического уровня, а оконечное оборудование данных (мост, маршрутизатор и т.д.), выбирает какой-либо протокол канального уровня. Для передачи данных по выделенным нагруженным аналоговым линиям используются модемы, использующие методы аналоговой модуляции сигнала.

На выделенных ненагруженных линиях предпочтительно использовать модемы «базовой полосы пропускания» которые не модулируют сигнал, так как работают на коротких расстояниях и с широкой полосой пропускания.

Цифровые выделенные каналы связи образуются путем постоянной коммутации в сетях, поддерживающей передачу аудио или видео потоков в цифровой форме. Для качественной передачи голоса необходима передача оцифрованных отсчетов амплитуды звуковых колебаний с частотой 8000 Гц, а каждый отсчет представляется в виде числа, состоящего из 7 или 8 бит. Аналоговый и цифровые первичные каналы уплотняются в скоростные каналы передачи данных между АТС. В аналоговых сетях применяется частотное уплотнение, в цифровых сетях используется уплотнение с разделением времени. Кадр уплотненного канала несет мало служебной информации – только 1 бит, который разделяет уплотненные кадры. Независимо от того, сколько каналов содержит уплотненный кадр, он должен быть передан за время 125 микросекунд, так, чтобы частота передачи отсчетов каждого первичного канала была равна 8000 Гц.

Существует две основных технологии уплотнения и коммутации цифровых каналов:

· плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH);

· синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH, стандарт SONET в Америке).

Технология PDH использует по сравнению с технологией SDH более узкий диапазон скоростей в уплотненных каналах - от 64 Кб/с до 34 Мб/с (в Америке - до 45 Мб/с). Кадры PDH несут мало служебной информации, поэтому наблюдение и управление потоками кадров в сетях PDH затруднено.

Имеется три типа каналов сетей PDH:

1. Первичные каналы со скоростью 64 Кб/с,

2. Каналы Е1 со скоростью 2,048 Мб/с, включающие 32 первичных канала по 64 Кб/с, из которых два канала отводятся для передачи синхронизирующей и управляющей информации,

3. Каналы Е3 со скоростью 34 Мб/с, состоящие из 16 каналов Е1.

В Америке вместо каналов Е1 используются каналы Т1 со скоростью 1,544 Мб/с, состоящие из 24 первичных каналов, а каналам Е3 соответствуют каналы Т3 со скоростью 45 Мб/с, состоящие из 28 каналов Т1.

В сетях PDH интерфейс G.703 определяет физический протокол взаимодействия аппаратуры пользователя с оборудованием PDH - скорость передачи данных, тип кода или алгоритм его формирования, форму импульсов, тип кабелей и т.п. Применяется несколько схем кодирования, основанных на непосредственной передаче импульсов без модуляции. Мультиплексирование потоков информации имеет два решения. Одно базируется на синхронном мультиплексировании и носит название синхронная цифровая иерархия (SDH), другое использует простой асинхронный пакетный обмен и носит название асинхронный режим передачи (ATM).

Технология SDH представляет собой развитие технологии PDH. Стандарт SDH предназначен для замены иерархии асинхронных линий E1/E3 и представляет модификацию американского стандарта на передачу данных по оптическим каналам связи SONET (Synchronous Optical NETwork). Стандарт SDH определяет иерархию скоростей, кратных скорости 155 Мб/с (SONET - 55 Мб/с): от 155 Мб/с до 10 Гб/с. Кадр данных SDH несет значительную долю служебной информации, т.е. в кадре на каждые 270 байтов пользовательских данных приходится 9 байтов служебной информации. Служебная информация позволяет повысить степень контроля и управляемости сетей SDH. Структура кадров позволяет выполнять маршрутизацию, осуществлять управление сетями любой топологии. Используется два способа соединения - радиальный и кольцевой. В SONET предусмотрено четыре варианта соединений: точка-точка, цепь, простое кольцо и сцепленное кольцо. Линейные варианты используются для ответвлений от основного кольца сети. При использовании кольцевого способа аппаратура всегда соединяется двумя кольцами, что позволяет повысить надежность сетей. При построение сетей SDH на больших территориях применяется последовательное соединение нескольких колец, а при создании городской сети может использоваться однокольцевая сеть. SDH предоставляет улучшенную схему мультиплексирования каналов для быстродействующих интерфейсов с полосой пропускания 150 Мбит/с. Аппаратура SDH может использовать каналы PDH в качестве входных каналов. Для доступа к аппаратуре SDH используется интерфейс G.703, а для управления используется протокол SNMP.

 

Стандарт Х.25

 

При построении составных сетей можно выделить два подхода к формированию межсетевого взаимодей­ствия:

1. Объединение сетей в соответствии со стандартом Х.25;

2. Объединение сетей в соответствии с протоколом IP.

Основное различие подходов заключается в том, что прото­кол IP относится к дейтаграммным протоколам без установления логического соединения, а протокол Х.25 предполагает организацию вир­туального канала передачи данных. Сети стандарта Х.25 – одна из первых технологий построения территориальных сетей с коммутацией пакетов. Стандарт был принят в 1976 г. и стал основой системы PSPDN (Packet-Switched Public Data Networks), базирующейся на 7-уровневой модели OSI. Протокол X.25 определяет синхронный интерфейс, работающий в пакетном режиме, между терминальным оборудованием (DTE - Data Terminal Equipment) и оборудованием передачи данных (DCE - Data Communication Equipment). Недостаток протокола X.25 - большие задержки отклика. Соединение двух терминальных устройств (DTE – DTE) осуществляется через устройство передачи DCE. В протоколе X.25 применяется статистическое временное мультиплексирование. Достоинством технологии Х.25 является ориентация на каналы низкого качества. Повышенная надежность достигается за счет того, что на канальном и сетевом уровнях работают протоколы с установлением соединения и исправлением ошибок. Значительное внимание уделено контролю ошибок на сетевом уровне. Эта особенность приводит к уменьшению скорости передачи, но эти сети можно реализовать на каналах связи с невысокой помехоустойчивостью. Контроль ошибок производится при инкапсуляции и восстановлении пакетов во всех мостах и маршрутизаторах, а не только в оконечном узле. Для плохих каналов такой подход дает положительные результаты - сервисы верхних уровней сетей получают надежный канал, связывающий локальные сети или отдельные компьютеры на больших территориях.

Оконечное оборудование пользователей подключается к сети через пакетный сборщик данных (PAD - Packet Assemble/Disassemble), который собирает асинхронные потоки от терминалов и отправляет их в пакетах через скоростные синхронные каналы по сети Х.25. Предпочтительным размером пакетов данных Х.25 является 128 байт при типовой скорости 64 Kбит/с. Пакет содержит адресную, управляющую, информационную и контрольную части. В заголовке имеются флаг, адреса отправителя и получателя, тип кадра (служебный или информационный), номер кадра. Пакеты данных циклически нумеруются от 0 до 7 или от 0 до 127. Фактически в заголовке помещаются два номера: порядковый номер передачи и порядковый номер приема. Порядковый номер необходим для обеспечения последовательной транспортировки данных по виртуальному каналу, обнаружения потерь пакетов и для управления интенсивностью поступления пакетов в сеть передачи данных.

Перед передачей пакета устанавливается связь между исходными и адресуемыми компьютерами по коммутируемому или постоянному виртуальному каналу. Виртуальный канал описывается в формате пакета и имеет идентификатор. Этот идентификатор включает номер группы (4 бита) и номер канала (8 бит). В группе может быть до 256 каналов. Постоянный виртуальный канал является аналогом выделенного канала. Коммутируемый виртуальный канал реализует обмен данными. Имеются три типа коммутируемых виртуальных каналов, работающие в дуплексном режиме: входящий, двунаправленный и выходящий. Адресат пакета распознается с помощью идентификатора или номера канала. Маршрутизация на основе виртуальных каналов - это обычный прием, используемый в глобальных сетях. Кроме сетей X.25, такая техника применяется в сетях Frame Relay и АТМ. Один физический канал связи X.25 может поддерживать несколько коммутируемых виртуальных каналов.

Сетевой адрес пользователя состоит из 12 десятичных цифр. Первые четыре цифры представляют идентификатор сети передачи данных, следующие восемь - номер сетевого узла. Международная система адресации для данных сетей описана в рекомендациях X.121 международного комитета по телефонии и телеграфии (МКТиТ). Протокол X.25 не определяет маршрутизацию пакетов.

 

Протокол Frame Relay

 

Существует еще один способ подключения к глобальным сетям – ретрансляция кадров Frame Relay. Протокол Frame Relay обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с Х.25, но меньшую надежность. Frame Relay обеспечивает возможность передачи данных с коммутацией пакетов через интерфейс между устройствами пользователя и оборудованием сети. В роли сетевого интерфейса, Frame Relay является таким же типом, что и Х.25. Однако Frame Relay является протоколом для линии с большим потоком информации, обеспечивая более высокую производительность и эффективность.

Преимущество протокола Frame Relay заключается в низкой избыточности, высокой емкости при низких задержках и надежности передачи данных. Он разработан для соединения локальных сетей и обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит/с, позволяя потребителю наращивать пропускную способность частями по 56 Кбит/с.

Протокол Frame Relay обеспечивает средства для мультиплексирования большого числа логических информационных диалогов, называемых виртуальными цепями, через один физический канал передачи. Это отличает его от систем, использующих технику временного мультиплексирования. Статистическое мультиплексирование Frame Relay обеспечивает эффективное использование доступной полосы пропускания.

Frame Relay использует два протокольных уровня модели OSI. Остальные уровни должны реализоваться программно. Такая схема удешевляет интерфейс. Протокол обеспечивает каждому приложению гарантированную полосу пропускания. Если приложение не использует полностью выделенную полосу, другие приложения могут поделить между собой свободный ресурс.

Чтобы осуществить подключение Frame Relay, провайдер устанавливает подключение, называемое постоянной виртуальной цепью (Permanent Virtual Circuit — PVC), по цифровым телефон­ным линиям. Но в отличие от выделенных линий, где скорость передачи данных постоянна, скорость передачи по PVC не фиксируется. Это озна­чает, что PVC выделяет ресурсы для передачи по мере необходимости. Каждое соединение PVC имеет 10-битовый идентификатор, включаемый в заголовок кадра. Стандарт Frame Relay описывает протокол и интерфейс "пользователь-сеть" только для таких постоянных виртуальных каналов, поэтому в основном используется в сетях со статическими методами и способами маршрутизации.

Frame Relay является бит-ориентированным синхронным протоколом и использует "кадр" в качестве основного информационного элемента. Протокол предлагает независимую адресацию кадров, и позволяет передавать кадры размером до 4096 байт, что достаточно для пакетов Ethernet и Token Ring, максимальная длина которых составляет 1500 и 4096 байт соответственно. Благодаря этому здесь не предусмотрены накладные расходы на сегментацию и сборку. Кадр имеет различную длину, а его заголовок содержит 10-битовый номер, идентификатор соединения канала данных. Применение инкапсуляции гарантирует транспортировку пакетов других протоколов через сети Frame Relay. Пакет Frame Relay начинается и завершается разграничительным байтом. Он не предусматривает передачу управляющих сообщений. Для передачи служебной информации используется специально выделенный канал сигнализации. Протокол Frame Relay также не имеет механизмов для подтверждения правильно принятых кадров.

В общем случае, сеть Frame Relay состоит из переключателей, объединенных цифровой средой передачи и топология сети представляет ячеистую структуру. Одно из преимуществ ячеистой конфигурации состоит в том, что она обеспечивает определенную степень отказоустойчивости. Если из-за выхода из строя узла, канал становится недоступным, то соседний коммутатор перенаправит соединение по альтернативному информационному каналу. По причине ячеистой конфигурации, коммутаторы могут направлять кадры в обход других коммутаторов, если те испытывают перегрузку.

Основной недостаток технологии следует из того, что она основана на протоколе канального уровня и «не распознает» протоколы вышележащих уровней, а также в сети отсутствует широковещательный доступ.