Моделирование телекоммуникационных сетей и систем

Введение

 

Телеграфные и телефонные сети –  первые сети с коммутацией каналов  сыграли в коммуникации XIX века не менее прогрессивную роль, чем в наше время Internet. Классический империализм времен концентрации производства и раздела мира на колониальные империи так же немыслим без телеграфа и телефона, как нынешняя глобализация – без интернета и факса.

Необходимость оптимизировать использование  дорогих кабелей, особенно после  появления альтернативного решения  – радиосвязи, привела к возникновению  систем «частотного уплотнения»  – того, что теперь называется системами  передачи с частотным разделением  каналов. Системы передачи с частотным, а затем и временным разделением  каналов готовили в том числе  и техническую базу для будущих  глобальных компьютерных сетей.

Диверсификация использования  единой первичной сети – применение единой  магистральной сети, образованной системами передачи с частотным  разделением каналов для передачи голоса, тонального телеграфа, а также  передачи факсимильной информации, а  затем и данных – можно сказать  первая сеть с интеграцией услуг.

Факсимильная связь, хотя первые патенты  на передачу изображения «по  телеграфу» относятся еще к XIX веку, а первая линия факсимильной связи между европейскими столицами вступила в строй в 1910 году, до 1960-х годов использовалась очень ограничено. Но именно в этих системах отрабатывалась технология передачи цифровых данных по аналоговому каналу, и первые модемы создавались именно для них.

Цифровое преобразование и обработка  телефонного сигнала  и цифровые системы связи (PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy), (SDH – Synchronous Digital Hierarchy, конец 80-х) – последние составляют сейчас материальную основу большинства глобальных сетей – изначально были внутренней технологией телефонных компаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные понятия и определения

 

Уточним теперь ряд понятий, хотя бы интуитивно очевидных. Интуитивная  очевидность понятия (от бытового уровня до неэвклидовой математики) увы, приводит к несогласованному использованию  понятийного аппарата.

Канал связи  – совокупность технических средств  и среды распространения, обеспечивающая передачу информации от отправителя  к получателю.

Канал передачи данных – совокупность технических  средств и среды распространения, обеспечивающая передачу данных установленной  формы с заданными параметрами  от отправителя к получателю.

Первичная (опорная) сеть связи – Сеть стандартных  каналов связи, обеспечивающая передачу информации в наиболее общей форме  между ее пользователями.

Вторичная (наложенная) сеть связи – сеть каналов  передачи определенного вида информации с использованием на физическом уровне каналов первичной сети связи.

Вычислительная (компьютерная) сеть – совокупность компьютеров, соединенных линиями  связи. Линии связи образованы кабельными линиями, сетевыми адаптерами и другими  коммуникационными устройствами. Она  есть частный случай распределенных вычислительных систем, в которых  группа вычислительных средств согласованно выполняет набор взаимосвязанных  задач, обмениваясь данными в  автоматическом режиме. К РВС также  относятся мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы (кластеры).

В рамках сетевого уровня OSI сеть – совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня.

Стандартная сетевая технология – комплекс аппаратных и программных решений, достаточный  для построения работоспособной  сети. Достаточный в данном случае понимается минимальный достаточный. Как правило, сетевые технологии локальных сетей (LAN) охватывают физический и канальный уровень модели OSI, технологии распределенных (глобальных) сетей – физический (частично), канальный, и сетевой (более или менее полно) уровни. Уровни транспортный и выше, реализуемые, как правило, программными средствами операционных систем, частью стандартной сетевой технологии обычно не считаются.

Служба (сервис, service) – некоторый законченный набор услуг, а также сетевой компонент, предоставляющий эти услуги.

 

 

Логическая топология «кольцо» и маркерный метод доступа  к среде

 

В технологиях Token Ring, FDDI используется логическая топология кольцо. Передатчик сетевой карты одной станции соединяется с приемником другой до тех пор, пока передатчик последней станции не будет замкнут на приемник первой.

Таким образом каждая станция принимает  данные только от одного ближайшего соседа (ближайший активный сосед, расположенный  выше по потоку Nearest Active Upstream Neighbor – NAUN), а передает их другому. Кадры, следовательно, передаются по кольцу строго в одном направлении. При получении кадра, не предназначенного ей, станция ретранслирует его далее по кольцу, как повторитель. Кольцо рассматривается как общий для всей сети разделяемый ресурс (среда передачи).

Доступ к этой среде предоставляется  не в случайном порядке, а при  получении станцией, имеющей данные для передачи, специального кадра, именуемого маркером или токеном (token, отсюда Token Ring). Такая дисциплина получения доступа к кольцу получила название маркерного кольца.

Станция, получившая маркер, при отсутствии данных для передачи ретранслирует  его дальше. При наличии данных, ожидающих передачи, и соблюдении условий приоритетности, станция  задерживает маркер, что дает ей право на передачу, и начинает передачу своих данных (один или несколько  кадров). Время, в течении которого станция может удерживать маркер и условия его освобождения различны для разных технологий.

Существующая в кольце обратная связь (посланный кадр, пройдя по кольцу, возвращается к станции-отправителю) позволяет реализовать процедуры  контроля состояния сети, обнаружения  и локализации неисправностей, подтверждения  приема кадра получателем, дисциплину приоритетов, регулировку параметров обмена в зависимости от нагрузки, и ряд других.

Технология Token Ring была разработана в 1984 голу фирмой IBM и передана затем как проект стандарта IEEE, где в 1985 году был принят стандарт IEEE 802.5.

Сети Token Ring могут работать с двумя скоростями – 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций с разными скоростями в одном кольце не допускается. Сети Token Ring со скоростью 16Мбит/с имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа к кольцу.

Станция, готовая к передаче, получив  маркер, изымает его и начинает передачу своих данных (один или  несколько кадров). Промежуточные  станции ретранслируют кадр побитно, как повторители. Кадр данных, проходя  по кольцу, достигает станции назначения, которая, распознав кадр по адресу получателя, копирует его в свой буфер и  отправляет его далее по кольцу, снабдив признаком подтверждения  приема (точнее, выставляются 2 признака: признак распознания адреса и  признак копирования в буфер). Станция-отправитель, получив свой кадр обратно с признаком подтверждения приема (распознание осуществляется по адресу отправителя), изымает его из потока и освобождает маркер. Время удержания маркера (token holding time) устанавливается по умолчанию 10мс, после чего станция должна прекратить передачу собственных данных (передачу текущего кадра разрешено завершить) и освободить маркер. Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен, но обычно это 4Кбайт для 4Мбит/с и 16Кбайт для 16Мбит/с (поскольку за время удержания маркера станция должна передать хотя бы 1 кадр). В 16М Token Ring применяется раннее освобождение маркера (Early Token Release). В этом случае станция передает маркер сразу же после последнего бита своего кадра, не дожидаясь подтверждения.

За присутствие в кольце маркера, причем его единственной копии, отвечает одна из станций кольца – Активный монитор. Он выбирается при инициализации  сети как станция с максимальным MAC-адресом. В случае выхода активного монитора из строя остальные станции выбирают новый. Время от времени АМ посылает по кольцу кадр «Есть Активный Монитор» (Active Monitor Present – AMP). Если его нет слишком долго, остальные станции (Резервные Мониторы) организовывают выборы нового активного монитора.

Реализован механизм приоритетов 8 уровней – от 0 до 7. Станция может  захватить маркер, только если приоритет  данных, ждущих передачи, не меньше приоритета маркера. В противном случае она  может только записать приоритет  своих данных в поле резервного приоритета (если оно больше записанного там). Таким образом, активный монитор  будет знать максимальный уровень  приоритета данных, ждущих передачи, и  управлять приоритетом маркера. Станция, захватившая маркер, передает свой кадр, в маркере переписывает поле резервного приоритета в поле приоритета, а поле резервного приоритета обнуляет, после чего освобождает  маркер.

В Token Ring существуют кадры 3-х типов: маркер, кадр данных и прерывающая последовательность.

Маркер Token Ring состоит из 3-х однобайтных полей: Начального ограничителя (Start Delimiter SD = JK0JK000), байта управления доступом (Access Control = PPP,T,M,RRR) и конечного ограничителя (End Delimiter ED = JK1JK1,I(Intermediate),E(Error)).

Начальный ограничитель предваряет любой  кадр в сети. Он содержит уникальную последовательность символов манчестерского кода JK0JK000 (1=01, 0=10, J=00, K=11), так что его не спутать с данными.

Байт управления доступом (Access Control) содержит 3-битные поля приоритета маркера PPP, резервного приоритета RRR, и 1-битные поля T=1 – указывает, что кадр является маркером, и M=1 – бит активного монитора. M устанавливается в 1 активным монитором, в 0 любой другой станцией, обрабатывающей кадр.

Конечный ограничитель также присутствует в любом кадре, содержит уникальную последовательность символов манчестерского кода JK1JK1, и два бита признаков I(Intermediate) – выставленный в 1, если кадр не является последним или единственным в серии, и E(Error) – выставляется в 0 станцией-отправителем, и в 1 станцией, которая обнаружит в кадре ошибку CRC или другую некорректность.

Начальный ограничитель и следующий  сразу за ним конечный ограничитель образуют прерывающую последовательность. Она может встретится в любом  месте кадра и свидетельствует  о том, что передача текущего кадра  отменяется.

Кадр данных Token Ring содержит следующие поля:

Начальный ограничитель;

Байт управления кадра (Frame Control, FC подобен Access Control маркера, естественно T=0, поле резервного приоритета указывает, содержит ли кадр пользовательские данные в LLC-кадре, или является специальным управляющим кадром, и каким именно);

MAC-адрес назначения;

MAC-адрес отправителя (Признак группового адреса – признак наличия в кадре специального поля маршрутной информации для маршрутизации от источника);

Поле данных кадра (INFO);

Поле контрольной суммы (CRC);

Конечный ограничитель;

Поле статуса кадра (Frame Status, FS= ACxxACxx) – содержит дважды дублированные флаги опознания адреса и успешного приема кадра (копирования в буфер);

 

6 типов специальных управляющих  кадров Token Ring:

Тест дублирования адреса – запускается  станцией, впервые присоединившейся к кольцу (Duplicate Address Test, DAT).

Существует Активный Монитор (Active Monitor Present – AMP). Запускается активным монитором через определенные промежутки времени, подтверждает его наличие и исправность.

Существует Резервный Монитор (Standby Monitor Present – SMP). Отправляется станцией, не являющейся активным монитором.

Маркер заявки (Claim Token – CT) – отправляется резервным монитором, предполагающим отказ активного монитора. Предваряет процедуру выборов нового активного монитора.

Очистка (Purge, PRG) – посылается новым активным монитором, чтобы привести сеть в исходное состояние.

Сигнал (Beacon, BCN) – посылается станцией, подозревающей проблемы с передачей кадров по сети. Станция, получившая BCN от ближайшего активного соседа выше по потоку (NAUN), прекращает посылку BCN, таким образом, с течением времени только одна станция будет передавать BCN – та, у которой проблемы с ближайшим соседом. Таким образом, неисправность локализуется (любая станция знает адрес ближайшего соседа).

 

Построение колец Token Ring изначально предполагалось с использованием концентраторов, называемых MAU (Multi-Station Access Unit) или MSAU (Multi-Station Access Unit). Таким образом, физическая топология сети «звезда», хотя логическая – «кольцо»¹. Такое решение позволяет объединить достоинства обоих топологий. В самом деле, будь физическая топология идентична логической, т.е. «кольцо», выход из строя или просто выключение любой станции разрывал бы кольцо, и сеть становилась бы неработоспособной. Физическая же звезда делает возможным обход выключенной станции или неисправной станции за счет автоматической перекоммутации выхода предшествующей станции на вход следующей. Концентраторы могут быть пассивными или активными. Пассивный только кроссирует входы и выходы станций. Активный концентратор выполняет регенерацию сигналов, потому называется иногда повторителем, как в Ethernet. Кабели, соединяющие концентраторы между собой, называются магистральными (trunk cable), а концентратор со станцией ответвительными (lobe cable).

В сетях Token Ring   применяются следующие среды передачи данных:

STP Type 1 – Экранированная витая пара, характерный кабель IBM; Длина соединительных линий станция-концентратор и между пассивными концентраторами до 100 м, до 260 станций в кольце. Магистраль между активными концентраторами – до 730 м.

UTP Type 3 – массовый кабель для телефона/передачи данных. Длина соединительных линий станция-концентратор и между пассивными концентраторами до 45 м, до 72 станций в кольце. Магистраль между активными концентраторами – до 365 м.

UTP Type 6, волоконно-оптический кабель.

Технология FDDI.