Сравнение современных технологий передачи данных

Современные технологии передачи данных могут быть классифицированы по методам передачи данных.

В общем случае, можно выделить три основных метода передачи данных:

q коммутация каналов;

q коммутация сообщений;

q коммутация пакетов.

Все другие методы взаимодействия являются как бы их эволюционным развитием. Например, если представить технологии передачи данных в виде дерева, то ветвь коммутации пакетов разделится на коммутацию кадров и коммутацию ячеек.

Напомним, что технология коммутации пакетов была разработана более 30 лет назад для снижения накладных расходов и повышения производительности существующих систем передачи данных. Первые технологии коммутации пакетов – Х.25 и IP были спроектированы с учетом возможности работы с каналами связи плохого качества. При улучшении качества стало возможным использовать для передачи информации такой протокол, как HDLC, который нашел свое место в сетях Frame Relay. Стремление достичь большей производительности и технической гибкости послужило толчком разработки технологии SMDS, воз­можности которой затем были расширены стандартизацией ATM.

Одним из параметров, по которому можно проводить сравнение технологий, является гарантия доставки информации. Так, технологии Х.25 и ATM гаранти­руют надежную доставку пакетов (последняя с помощью протокола SSCOP), a Frame Relay и SMDS работают в режиме, когда доставка не гарантирована. Далее, технология может гарантировать, что данные будут поступать их получа­телю в последовательности отправления. В противном случае порядок должен восстанавливаться на принимающей стороне. Сети с коммутацией пакетов могут ориентироваться на предварительное установление соединения или просто пере­давать данные в сеть. В первом случае могут поддерживаться как постоянные, так и коммутируемые виртуальные соединения. Важными параметрами также являются наличие механизмов контроля потока данных, системы управле­ния трафиком, механизмов обнаружения и предотвращения перегрузок и т. д. В табл. 2.1 производится сравнение технологий по этим параметрам.

Таблица 2.1. Сравнение протоколов

Сравнение технологий можно также проводить по таким критериям, как эф­фективность схемы адресации или методов маршрутизации. Например, исполь­зуемая адресация может быть ориентирована на географическое расположение (телефонный план нумерации), на использование в распределенных сетях или на аппаратное обеспечение. Так, протокол IP использует логический адрес, со­стоящий из 32 бит, который присваивается сетям и подсетям. Схема адресации Е.164 может служить примером схемы, ориентированной на географическое расположение, а МАС-адрес является примером аппаратного адреса. Технология Х.25 использует номер логического канала (Logical Channel Number — LCN), а коммутируемое виртуальное соединение в этой технологии применяет схему адресации Х.121. В технологии Frame Relay в один канал может «встраивать­ся» несколько виртуальных каналов, при этом отдельный виртуальный канал определяется идентификатором DLCI (Data-Link Connection Identifier). Этот идентификатор указывается в каждом передаваемом кадре. DLCI имеет только локальное значение; иначе говоря, у отправителя виртуальный канал может идентифицироваться одним номером, а у получателя — совсем другим. Комму­тируемые виртуальные соединения в этой технологии опираются на схему нуме­рации E.I 64. В заголовки ячеек ATM заносятся уникальные идентификаторы VCI/VPI, которые изменяются при прохождении ячеек через промежуточные коммутирующие системы. Коммутируемые виртуальные соединения в техноло­гии ATM могут использовать схему адресации E.I 64 иди AESA.

Маршрутизация пакетов в сети может выполняться статически или ди­намически и быть либо стандартизованным механизмом для определенной технологии, либо выступать в качестве технической основы. Примерами стан­дартизованных решений могут служить протоколы динамической маршрути­зации OSPF или RIP для протокола IP. Применительно к технологии ATM Форум ATM определил протокол маршрутизации запросов на установление коммутируемых виртуальных соединений PNNI, отличительной особенностью которого является учет информации о качестве обслуживания. Таблицы 2.2 и 2.3 содержат сравнительные характеристики технологий глобальных и локаль­ных сетей.

Таблица 2.2. Сравнение технологий глобальных сетей

Помимо перечисленных, одним из наиболее важных критериев выбора техно­логии является эффективность передачи информации. Здесь можно проследить следующую зависимость — увеличение количества предоставляемых техноло­гией сервисных возможностей чаще всего приводит к снижению эффективности. Для примера можно сравнить три основные технологии передачи данных — Frame Relay, ATM и SMDS. При сравнении предполагалось использование уровня адаптации AAL5 ATM (рис. 2.1).

Таблица 2.3. Сравнение технологий локальных сетей

Напомним, что технология Frame Relay поддерживает кадры переменной длины, и накладные расходы при этом составляют 5-7 байт на один кадр. Мож­но сказать, что Frame Relay наиболее эффективная технология с точки зрения вносимых накладных расходов на передачу. Однако она может не обеспечить приемлемое качество обслуживания, особенно в тех ситуациях, когда передава­емые кадры имеют большой размер. Наибольший (стандартизованный) размер кадра составляет 1600 байт, хотя в саму технологию заложена поддержка кадров длиной до 8192 байт. Как видно из рис. 2.1, эффективность Frame Relay дости­гает практически 100 %.

Технология ATM при использовании уровня адаптации AAL5 обеспечивает функциональность, схожую с Frame Relay, и гибче при смешивании трафика с большими пакетами данных с трафиком, чувствительным к задержкам. Уровень адаптации AAL5 поддерживает пакеты до 64 Кбайт, чего не позволяют ни Frame Relay, ни SMDS. Однако при формировании ячеек к пакету добавляются восемь байт окончания и пять байт заголовка ячейки, что снижает эффективность ATM примерно на 17%. Так как пакеты переменной длины упаковываются в серию ячеек, эффективность снижается заметно, особенно в тех ситуациях, когда толь­ко несколько байт пакета попадают в последнюю ячейку. В общем случае, эф­фективность передачи информации в сетях ATM для очень больших пакетов достигает 90 %.

Технология SMDS использует формат ячеек DQDB. При этом накладные расходы аналогичны AAL3/4. Пакеты в технологии SMDS могут иметь длину до 9188 байт, что немногим больше, чем в технологии Frame Relay, а эффектив­ность передачи ограничивается 80 % для очень больших пакетов.

В качестве итога данного раздела приведены четыре таблицы, в которых про­водится сравнение технологий по различным критериям и показателям (табл. 2.4, 2.5, 2.6 и 2.7).

Таблица 2.4. Сравнение технологий

Таблица 2.5. Сравнение технологий II

Таблица 2.6. Сравнение технологий III

Таблица 2.7. Сравнение технологий IV

Теперь, перечислив и сравнив основные технологии, которые может задейст­вовать разработчик, давайте перейдем к базовым вопросам и методам, использу­емым при проектировании и разработке сети.

Требования к сети

Специалисты, занимающиеся разработкой вычислительных сетей, и сетевые ад­министраторы всегда стремятся обеспечить выполнение трех основных требова­ний, предъявляемых к сети, а именно:

q масштабируемость;

q производительность;

q управляемость.

Хорошая масштабируемость необходима для того, чтобы без особых усилий можно было менять как число пользователей, работающих в сети, так и приклад­ное программное обеспечение. Высокая производительность сети требуется для нормальной работы большинства современных приложений. И, наконец, сеть должна быть достаточно легко управляемой, чтобы ее можно было перенастраи­вать для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей организации. Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий — этап создания высокопроизводительных корпоративных сетей.

Уникальность новых программных средств и технологий усложняет раз­работку корпоративных сетей. Централизованные ресурсы, новые классы программ, иные принципы их применения, изменение количественных и качест­венных характеристик информационного потока, увеличение числа одновремен­но работающих пользователей и повышение мощности вычислительных платформ — все эти факторы необходимо учитывать в их совокупности при раз­работке сети. Сейчас на рынке имеется большое количество технологических и архитектурных решений, и выбрать из них наиболее подходящее — достаточно сложная задача.

В современных условиях для правильного проектирования сети, ее разработ­ки и обслуживания специалисты должны учитывать следующие вопросы:

q Изменение организационной структуры. При реализации проекта не сле­дует «разлучать» специалистов по программному обеспечению и сетевых специалистов. При разработке сетей и всей системы в целом нужна единая команда из специалистов разного профиля;

q Использование новых программных средств. Необходимо знакомиться с новым программным обеспечением еще на ранней стадии разработки сети для того, чтобы можно было своевременно внести необходимые корректи­вы в планирующиеся к использованию средства;

q Исследование различных решений. Необходимо оценивать различные архитектурные решения и их возможное влияние на работу будущей сети;

q Проверка сетей. Необходимо проводить тестирование всей сети или ее частей на ранних стадиях разработки. Для этого можно создать прототип сети, который позволит оценить правильность принятых решений. Так можно предупредить появление разного рода «узких мест» и определить применимость и примерную производительность разных архитектур;

q Выбор протоколов. Чтобы правильно выбрать конфигурацию сети, нужно оценить возможности различных протоколов. Важно определить, как сете­вые операции, оптимизирующие работу одной программы или пакета про­грамм, могут повлиять на производительность других;

q Выбор физического расположения. Выбирая место установки серверов, надо, прежде всего, определить местоположение пользователей. Возможно ли их перемещение? Будут ли их компьютеры подключены к одной под­сети? Будут ли пользователи иметь доступ к глобальной сети?

q Вычисление критического времени. Необходимо определить время до­пустимой реакции каждого приложения и возможные периоды макси­мальной нагрузки. Важно понять, как нештатные ситуации могут повлиять на работоспособность сети, и определить, нужен ли резерв для организации непрерывной работы предприятия;

q Анализ вариантов. Важно проанализировать различные варианты исполь­зования программного обеспечения в сети. Централизованное хранение и обработка информации часто создают дополнительную нагрузку в центре сети, а распределенные вычисления могут потребовать усиления локаль­ных сетей рабочих групп.

На сегодня нет готовой, отлаженной универсальной методики, следуя ко­торой, можно автоматически провести весь комплекс мероприятий по разра­ботке и созданию корпоративной сети. В первую очередь это связано с тем, что не существует двух абсолютно одинаковых организаций. В частности, каждая организация характеризуется уникальным стилем руководства, иерар­хией, культурой ведения дел. А если учесть, что сеть неизбежно отражает структуру организации, то можно смело сказать — двух одинаковых сетей не существует.

Архитектура сети

До того как начинать построение корпоративной сети, необходимо сначала оп­ределить ее архитектуру, функциональную и логическую организацию и учесть существующую телекоммуникационную инфраструктуру. Тщательно прорабо­танная архитектура сети помогает оценить возможность применения новых технологий и прикладных программ, служит заделом для будущего роста, опре­деляет выбор сетевых технологий, помогает избежать избыточных затрат, отра­жает связь сетевых компонентов, значительно снижает риск неправильной реализации и т. д. Архитектура сети закладывается в основу технического зада­ния на создаваемую сеть.

Следует отметить, что архитектура сети отличается от проекта сети тем, что она, например, не определяет точную принципиальную схему сети и не регла­ментирует размещение сетевых компонентов. Архитектура сети, например, опре­деляет, будут ли некоторые части сети построены на базе Frame Relay, ATM, ISDN или других технологий. Сетевой проект должен содержать конкретные указания и оценки параметров, например, требуемое значение пропускной спо­собности, реальную ширину полосы пропускания, точное расположение каналов связи и т. д.

В архитектуре сети выделяют три аспекта, три логические составляющие: принципы построения, сетевые шаблоны и технические позиции.

Принципы построения используются при планировании сети и принятии ре­шений. Принципы — это набор простых инструкций, которые с достаточной сте­пенью детализации описывают все вопросы построения и эксплуатации развертываемой сети в течение длительного периода времени. Как правило, в основе формирования принципов лежат корпоративные цели и базовые методы ведения бизнеса организации. Принципы обеспечивают первичную связь между корпоративной стратегией развития и сетевыми технологиями. Они служат для разработки технических позиций и сетевых шаблонов. При разработке техничес­кого задания на сеть принципы построения сетевой архитектуры излагаются в разделе, определяющем общие цели сети.

Техническая позиция может рассматриваться в качестве целевого описания, определяющего выбор между конкурирующими альтернативными сетевыми тех­нологиями. Техническая позиция уточняет параметры выбранной технологии и дает описание отдельно взятого устройства, метода, протокола, предоставляемо­го сервиса и т. д. Например, при выборе технологии локальной сети необходимо принимать во внимание скорость, стоимость, качество обслуживания и другие требования. Разработка технических позиций требует глубокого знания сетевых технологий и внимательного рассмотрения требований организации. Количество технических позиций определяется заданной степенью детализации, слож­ностью сети и масштабами организации.

Архитектура сети может быть описана следующими техническими позициями:

q Сетевые транспортные протоколы. Какие транспортные протоколы долж­ны использоваться для передачи информации?

q Маршрутизация в сети. Какой протокол маршрутизации должен исполь­зоваться между маршрутизаторами и коммутаторами ATM?

q Качество обслуживания. За счет чего будет достигаться возможность вы­бора качества сервиса?

q Адресация в сетях IP и домены адресации.Какая адресная схема должна использоваться для сети, включая зарегистрированные адреса, подсети, маски подсети, переадресацию и т. д.?

q Коммутация в локальных сетях. Какая стратегия коммутации должна быть использована в локальных сетях?

q Объединение коммутации и маршрутизации. Где и как должны исполь­зоваться коммутация и маршрутизация; как они должны объединяться?

q Организация городской сети. Каким образом должны связываться отде­ления предприятия, находящиеся, скажем, в одном городе?

q Организация глобальной сети. Каким образом отделения предприятия должны связываться по глобальной сети?

q Служба удаленного доступа. Как пользователи удаленных отделений получают доступ к сети предприятия?

Сетевые шаблоны — это набор моделей сетевых структур, отражающих связь между компонентами сети. Например, для определенной архитектуры сети соз­дается набор шаблонов, чтобы «проявить» топологию сети крупного отделения или глобальной сети, или показать распределение протоколов по уровням. Сете­вые шаблоны иллюстрируют сетевую инфраструктуру, которая описывается полным набором технических позиций. Более того, в хорошо продуманной се­тевой архитектуре сетевые шаблоны по степени детализации могут максимально приближаться по своему содержанию к техническим позициям. По сути дела, сетевые шаблоны — это описание функциональной схемы участка сети, имеюще­го конкретные границы.

Функциональная структура корпоративной сети имеет набор четко опре­деленных компонентов (рис. 2.2). VPN (Virtual Private Network) на рис. 2.2 означает виртуальные частные сети. Технология МРОА будет подробно рассмотрена в части III «Технология АТМ».

На основании представленной функциональной структуры корпоративной сети можно выделить следующие основные сетевые шаблоны: для глобальной сети, для городской сети, для центрального офиса, для крупного отделения ор­ганизации, для отделения. Могут быть разработаны и другие шаблоны для учас­тков сети, имеющих какие-либо особенности.

Описываемый методологический подход основан на изучении конкретной ситуации, рассмотрении принципов построения корпоративной сети в их сово­купности, анализе ее функциональной и логической структуры, выработке набо­ра сетевых шаблонов и технических позиций. Ниже приводится более подробное описание данной методологии. Кратко описаны некоторые сетевые шаблоны, с целью проиллюстрировать их структуру.

Различные реализации корпоративных сетей могут включать в свой состав те или иные компоненты. В общем случае корпоративная сеть состоит из различ­ных отделений, объединенных сетями связи. Они могут быть глобальными (WAN) или городскими (MAN). Отделения могут быть крупными, средними и малыми. Крупное отделение может быть центром обработки и хранения инфор­мации. Выделяется центральный офис, из которого производится управление всей корпорацией. К малым отделениям можно отнести различные обслужива­ющие подразделения (склады, мастерские и т. д.). Малые отделения по сути являются удаленными. Стратегическое назначение удаленного отделения — раз­местить службы сбыта и технической поддержки поближе к потребителю. Связь с клиентами, которая в значительной мере влияет на доходы корпорации, будет более продуктивной, если все сотрудники получат возможность доступа к кор­поративным данным в любой момент времени.

На первом шаге построения корпоративной сети описывается предполагае­мая функциональная структура. Определяется количественный состав и статус офисов и отделений. Обосновывается необходимость развертывания собствен­ной частной сети связи или производится выбор провайдера услуг, который спо­собен удовлетворить предъявляемые требования. Разработка функциональной структуры производится с учетом финансовых возможностей организации, пер­спективных планов развития, числа активных пользователей сети, работающих приложений, необходимого качества обслуживания. В основе разработки лежит функциональная структура самого предприятия.

На втором шаге определяется логическая структура корпоративной сети. В этой книге рассматриваются технологии ATM, Frame Relay и Ethernet. Логи­ческие структуры отличаются друг от друга только выбором технологии для построения магистрали, которая является центральным звеном сети корпорации. В данном разделе анализируются логические структуры, построенные на базе коммутации ячеек и коммутации кадров. Выбор между этими двумя способами передачи информации осуществляется, исходя из необходимости предоставле­ния гарантированного качества обслуживания. Могут быть использованы и дру­гие критерии.

Магистраль передачи данных должна удовлетворять двум основным требова­ниям.

1. Возможность подключения большого количества низкоскоростных рабо­чих станций к небольшому количеству мощных, высокоскоростных сер­веров.

2. Приемлемая скорость отклика на запросы клиентов.

Идеальная магистраль должна обладать высокой надежностью передачи дан­ных и развитой системой управления. Под системой управления следует пони­мать, например, возможность конфигурирования магистрали с учетом всех местных особенностей и поддержку надежности на таком уровне, что, даже если некоторые части сети выйдут из строя, серверы остаются доступными. Перечис­ленные требования определят, вероятно, несколько технологий и окончательный выбор одной из них остается за самой организацией. Необходимо решить, что важнее всего — стоимость, скорость, масштабируемость или качество обслужи­вания.

Логическая структура с коммутацией ячеек применяется в сетях с мультиме­дийным трафиком в реальном масштабе времени (проведение видеоконферен­ций и качественная передача голоса). При этом важно трезво оценить, насколько необходима такая дорогостоящая сеть (с другой стороны, даже дорогие сети под­час не способны удовлетворить некоторые требования). Если это так, то необхо­димо брать за основу логическую структуру сети с коммутацией кадров.

Логическую иерархию коммутации, объединяющую два уровня модели OSI, можно представить в виде трехуровневой схемы (рис. 2.3).

Нижний уровень служит для объединения локальных сетей Ethernet, сред­ний уровень представляет собой либо локальную сеть ATM, либо сеть MAN, либо магистральную сеть связи WAN. Верхний уровень данной иерархической структуры отвечает за маршрутизацию. Логическая структура позволяет вы­явить все возможные маршруты связи между отдельными участками корпора­тивной сети.