WAN (Wide Area Network)

Достигаются такие хорошие скоростные показатели за счет использования для передачи данных более высоких частот, чем те, которые применяются для голосовой телефонной связи (т.е. подходят частоты от 4 кГц и выше). Весь диапазон частот разделяют на 286 подканалов, для каждого из которых выбирается та или иная схема модуляции, в зависимости от качества передачи сигнала. Логически это выглядит как 286 пар модемов, которые взаимодействуют между собой по отдельным линиям. Такая схема позволяет адаптировать технологию к любой витой паре, каждая из которых может иметь свои уникальные электрические характеристики. И если, к примеру, в паре возникают узкополосные помехи, то для соответствующего подканала будет избрана более «низкоскоростная» схема модуляции, которая все же позволит передавать данные на этой частоте, хоть и с меньшей скоростью. Таким образом, хоть и нет гарантии достижения предельной скорости в ~7 Мбит/с, однако технология гарантирует, что будет получена максимально возможная скорость для каждой конкретной телефонной линии.

Кабельное телевидение

Еще одна перспективная и уже сейчас популярная технология позволяет использовать существующую инфраструктуру кабельного телевидения для передачи данных. Однако при этом возникает необходимость дорогостоящей модернизации существующих систем, поскольку изначально они были предназначены для передачи данных лишь в одном направлении. Впрочем, это не останавливает операторов кабельного телевидения: они все же вкладывают деньги в технологии передачи данных, ожидая получить от этого немалую прибыль. Будем надеяться, что в скором времени снижение цен на подобные услуги позволит подключиться к кабельным сетям для выхода во Всемирную Сеть каждому желающему.

Что касается остальных технологий широкополосного (wide) доступа к сетям общего пользования, то они либо специфичны, либо еще слишком «молоды» для внедрения. А чаще всего еще и слишком дороги, чтобы уделять им много внимания. Позволю себе лишь перечислить некоторые из них. Во-первых, это радиотехнологии (включая широковещательные спутниковые системы и сотовую связь). Далее традиционно идут инфракрасные и лазерные системы связи. Потом следует молодая и перспективная технология передачи данных по электросетям. И наконец, мечта каждого юзера и идеальное решение «последней мили» — выделенка

Способы передачи данных внутри распределенной сети

Вкратце проанализировав способы доступа отдельных абонентов к сети, разберем теперь способы передачи данных внутри самой распределенной сети. Одним из самых распространенных способов является использование цифровых телефонных линий, арендованных у телефонных компаний. Так уж исторически сложилось, что телефонные компании гораздо раньше сетевиков задумались над проблемами цифровой связи.

А началось все в далеком 1962 году в американском городе Чикаго, где впервые были опробованы цифровые телефонные линии. Необходимость их применения диктовалась проблемами дальней связи: электрический сигнал при прохождении через медный кабель постепенно затухает и потому вынужден проходить через многочисленные усилители, каждый из которых вносит в него дополнительные искажения и шум. И только лишь передача цифрового сигнала позволяет избежать этих неприятностей, что, в конце концов, и привело к бурному развитию цифровой телефонии.

Цифровая телефония предполагает передачу не аналогового сигнала, а его оцифрованного варианта. Для этого используется аналогово-цифровой преобразователь, который через определенные промежутки времени измеряет напряжение аналогового сигнала и приводит его к ближайшему целому числу, в результате чего на выходе получается поток чисел. Для того чтобы нормально воспроизвести человеческий голос после его оцифровки, упомянутые измерения напряжения необходимо производить 8000 раз в секунду. (Данный показатель зависит от максимальной частоты оцифровываемого сигнала и по теореме Шеннона-Котельникова должен в два раза ее превышать, в данном случае получаем 2х4000 Гц максимальной частоты человеческой речи.) Таким образом, для оцифровки речи каждые 125 микросекунд производится измерение напряжения, поступающего от микрофона, и приведение полученного значения к целому числу, лежащему в диапазоне от 0 до 255. (Данный диапазон также был выбран не случайно, он является оптимальным при выборе между качеством оцифровки и количеством передаваемых данных.) В итоге для передачи оцифрованной человеческой речи необходима скорость 64 Кбит/с (попробуйте провести аналогию со скоростью передачи данных при модемном соединении).

Описанная схема дискретизации является общепризнанным стандартом в области телекоммуникаций и носит название импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation — PCM).

Цифровые линии телефонной связи

Вообще, цифровые линии телефонной связи имеют ряд существенных особенностей, отличающих их от других систем передачи данных. Наиболее существенная особенность — это постоянная скорость трафика, обеспечивающая качественную передачу аудиоданных. Для этого вместе с самими данными передается дополнительная информация, помогающая синхронизировать скорость на входе и выходе из линии (именно поэтому такие линии и сети называют синхронизированными).

Не так много времени прошло с момента создания цифровых линий, прежде чем они начали использоваться для передачи не только голоса, но и данных. Сейчас любое предприятие может арендовать цифровую линию у телефонной компании. И хотя изначально линии, предназначенные для передачи речи, требуют применения специального оборудования для адаптации к передаче данных, все равно решение такого комплекса проблем обходится, безусловно, дешевле, чем разработка, внедрение и обслуживание собственных систем обмена данными. (К немалым денежным затратам приводит также попытка узаконить прокладку своих кабелей по землям общественного пользования.)

Для подключения компьютерных систем к цифровым линиям используется специальное оборудование, которое называется адаптером цифрового канала. Оно состоит из двух функциональных блоков: устройства обслуживания данных и устройства обслуживания канала (Data Service Unit/Channel Service Unit — DSU/CSU).

Блок CSU выполняет функции диагностики линии, позволяя определить разрыв линии и правильность работы адаптера цифрового канала на другом конце, а также играет роль оконечного оборудования, подавляя помехи и разряды. Для диагностики применяется и так называемая петля обратной связи — режим, в котором все получаемые данные отправляются назад с целью проверки правильности их прохождения.

Кроме вышеперечисленных функций, в обязанности устройства обслуживания канала входит преобразование слишком большого количества идущих подряд битов 1 в иные последовательности. Связано это с тем, что прохождение идущих подряд единиц вызывает слишком сильный электрический ток, который может повредить линию. Поэтому для их представления пользуются либо вставкой битов, либо применяют иную систему кодирования (примером является обозначение бита 0 нулевым напряжением, бита 1 ненулевым, а последовательно идущих единиц — последовательно меняющимся от -3 до +3 В напряжением).

Модуль DSU выполняет функцию преобразования данных из формата, используемого в цифровой линии, в формат, применяемый для передачи данных в компьютере. Проще говоря, он позволяет подключить компьютер к цифровой линии, к примеру, с помощью интерфейса USB 2.0 (наглядный пример, хоть и далекий от реальности).

Существует две основные системы стандартов для цифровых линий: Европейская, с обозначениями стандартов, начинающимися на Е, и Североамериканская со стандартами, содержащих букву Т (таблица 1). Кроме того, существует ряд стандартов для цифровых линий сверхвысокой пропускной способности, получивший наименование STS (Synchronous Transport Signal — синхронный транспортный сигнал) (таблица 2). Обозначение ОС (Optical Carrier — оптическая несущая), используемое в таблице 2, служит для стандартизации высокоскоростных линий, в которых применяются оптоволоконные кабели.

  

Помимо этого, существует ряд технологий, позволяющих добиться промежуточных нестандартных скоростей. При этом используется либо дробление линии, либо объединение нескольких линий с помощью специального оборудования для получения необходимой пропускной способности.

Кроме рассмотренных выше стандартов для линий, существует еще целый ряд стандартов, описывающих способ передачи данных в них. В Европе они носят название SDH (Synchronous Digital Hierarchy — синхронная цифровая иерархия), а в США известны как SONET (Synchronous Optical NETwork — синхронная оптоволоконная сеть). Ими определяются способы размещения данных во фреймах, способ отправки информации синхронизации, принципы объединения нескольких линий в одну с большей пропускной способностью и т.д.

Обычно операторы сетей связи, предоставляя цифровые линии в аренду, требуют, чтобы арендатор соблюдал стандарты кодирования SONET. Фрейм стандарта SONET имеет фиксированный размер, который зависит от пропускной способности линии. И связано это с тем, что цифровые линии предназначались для передачи речевых данных, поэтому и частота отправки пакетов должна была составлять 8000 раз в секунду для нормального воспроизведения речи. Отсюда и зависимость размера пакета от скорости: если скорость передачи в линии STS-1 составляет 51840 Кбит/с, то каждые 125 микросекунд должен отправляться фрейм, содержащий 810 октетов (байт).

Вид этого фрейма обычно представляют так: в начале каждой строки находится служебная информация, которая, в частности, обеспечивает синхронизацию данных на входе и выходе из сети. Читается он построчно слева направо. .

Коммутаторы пакетов

Рассмотренные в первой части двухточечные линии цифровой связи используются для соединения отдельных узлов сети. Только компьютеры соединяются между собой не непосредственно, а через специальные устройства, называемые коммутаторами пакетов. Коммутаторы имеют порты ввода-вывода двух типов. Высокоскоростные порты первого типа используются для соединения коммутаторов между собой с помощью арендованных линий цифровой телефонной связи, оптоволоконных кабелей либо спутниковых каналов. Порты второго типа менее скоростные и применяются для подключения отдельных компьютеров (абонентов), что собственно и отличает распределенные сети от двухточечных.

Таким образом, любая распределенная сеть состоит из коммутаторов, соединенных между собой высокоскоростными линиями связи, а также компьютеров, подключенных к ним.Для расширения такой сети достаточно просто добавить еще один коммутатор. А чтобы увеличить ее производительность, можно добавить дополнительные соединения.

В отличие от сети локальной, где одновременно может взаимодействовать между собой только одна пара компьютеров (за некоторыми исключениями), распределенная сеть позволяет отправлять данные хоть всем компьютерам одновременно. Для этого используется принцип промежуточного накопления: коммутатор, получая пакет, сохраняет его в памяти и ставит в очередь пакетов до тех пор, пока тот не будет обработан процессором и послан через нужный порт. Таким образом, при одновременном поступлении пакетов от разных компьютеров, каждый из них будет правильно обработан и переслан согласно адресу назначения.

Адрес в распределенной сети играет ту же роль, что и в локальной. Он является обязательным для каждого подключенного компьютера и позволяет доставить пакет к месту назначения. В некоторых технологиях используется иерархический адрес: первая часть применяется для обозначения коммутатора, а вторая — компьютера, подключенного к нему.

Таблица маршрутизации

Достаточно сложным в распределенных сетях является вопрос определения маршрута доставки пакета. Путешествуя по сети, пакет проходит через два и более узлов. При этом задача его маршрутизации усложняется еще и тем, что в реальных сетях между коммутаторами часто существуют избыточные связи. Кроме того, внутри такой сети могут устанавливаться так называемые внутренние коммутаторы, к которым не подключаются компьютеры. Они берут часть необходимой сетевой нагрузки на себя, но еще больше увеличивают количество лишних связей, делая, таким образом, выбор оптимального маршрута прохождения пакета сложной задачей.

Для ее разрешения используется принцип маршрутизации с определением следующего участка маршрута. Это означает, что каждый коммутатор должен выполнить единственную задачу — отправить поступивший пакет через один из своих интерфейсов. Чтобы определить, через какой именно, из пакета извлекается адрес назначения. Затем он ищется в специальной таблице, называемой таблицей маршрутизации. Там каждому адресу сопоставлен порт, через который должен быть отправлен пакет, чтобы он смог достичь места своего назначения. Таким образом, пакет проходит через цепочку коммутаторов, каждый из которых направляет его по следующему участку маршрута, и так продолжается до тех пор, пока тот не достигнет своей конечной цели.

Значения, хранящиеся в таблицах маршрутизации, должны обеспечивать информацию о следующем участке маршрута для любого адреса назначения. Кроме того, этот маршрут должен быть кратчайшим.

Конечно же, таблицы маршрутизации никто не составляет вручную. Для этого используется специальное программное обеспечение, которое строит их автоматически. Причем может применяться два подхода: статическая маршрутизация, когда таблицы составляются только при начальной загрузке коммутаторов, и динамическая, обеспечивающая корректировку таблицы в случае изменений в работе сети. И хотя динамическая маршрутизация требует больших расходов, тем не менее, в современных распределенных сетях чаще всего применяется именно она. Дело в том, что такой подход позволяет быстро отреагировать на отказы в сети, а также перераспределить потоки данных на менее загруженные участки.

Mетод распределенного вычисления маршрута

Таблица маршрутизации для каждого коммутатора может быть вычислена с помощью алгоритма Дейкстры, который позволяет определить кратчайшие маршруты до адресов назначения по разным критериям (наибольшая скорость передачи или пропускная способность линий на маршруте, наименьшее количество коммутаторов и т.д.). Однако для его применения изначально надо обладать информацией о структуре всей сети.

Более интересным представляется метод распределенного вычисления маршрута, при котором таблица маршрутизации вычисляется каждым коммутатором отдельно, а затем маршрутная информация высылается соседним коммутаторам. Таким образом, происходит быстрое накопление информации о маршрутах, и новый коммутатор после своего включения в сеть может составить полную таблицу маршрутизации за несколько секунд. Кроме того, постоянный обмен сообщениями между коммутаторами позволяет корректировать эти таблицы с учетом отказа оборудования или иных изменений в работе сети.

Одним из наиболее известных алгоритмов распределенного вычисления маршрута является дистанционно-векторная маршрутизация. Она предполагает, что в таблице маршрутизации кроме пар значений «адрес — следующий участок маршрута», хранится еще и информация о расстоянии до адреса при использовании текущего маршрута (под расстоянием понимается показатель, позволяющий определить время доставки пакета или аналогичную величину). Эта информация в виде сообщений, содержащих пары значений «адрес — расстояние», периодически рассылается смежным коммутаторам. При ее получении сообщение детально анализируется, и если обнаруживается, что до какого-то адреса существует более короткий маршрут, то таблица маршрутизации соответствующим образом корректируется.

Еще одним алгоритмом распределенного вычисления маршрута является алгоритм маршрутизации с учетом состояния связей. Его идея более проста для понимания, поскольку предполагает лишь периодическую рассылку коммутаторами широковещательных сообщений с информацией о состоянии связей (скорости соединения между узлами сети). Такая информация используется другими коммутаторами для получения представления о структуре сети, после чего строится таблица маршрутизации по алгоритму Дейкстры.

Несколько конкретных примеров

На этом мы можем считать наше знакомство с теорией распределенных сетей завершенным. Переходя от теории к практике, рассмотрим несколько конкретных примеров.

Первой действующей распределенной сетью была ARPANET, которая работала с неплохой на то время скоростью 56 Кбит/с. А первым стандартом для распределенных сетей стал Х.25, разработанный организацией ITU (International Telecommunication Union), которая устанавливает стандарты международной телефонной связи. Услуги на его основе предлагались телефонными компаниями на протяжении многих лет. Однако ныне низкая производительность Х.25 уже не удовлетворяет современным запросам.

Сейчас телефонными компаниями предоставляются другие услуги, позволяющие создавать высокоскоростные распределенные сети. Примером тому может служить служба FrameRelay, предназначенная для соединения мостами сегментов локальной сети, находящихся на большом удалении. Для этого пакеты данных имеют максимальный размер в 8000 байт, а скорость передачи достигать 100 Мбит/с. О предоставлении данной услуги позаботилась, кстати говоря, и главная телефонная компания нашей страны.

Еще одним примером услуги для создания распределенных сетей, которая может предоставляться телефонными компаниями, является служба SMDS (Switched Multi-megabit Data Service — коммутируемая мультимегабитная служба передачи данных). Она оптимизирована для передачи трафика данных и может работать на значительно больших скоростях, чем FrameRelay. Для уменьшения расходов на передачу заголовков пакетов их размер сведен к минимуму, а сам пакет может содержать до 9188 байт данных. Для подключения компьютеров к сети применяется специальный аппаратный интерфейс.

Технология ATM

(Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи) — еще одно детище телефонных компаний, претендующее на роль универсальной технологии создания сетей. Она предназначается для передачи всех видов трафика и позволяет развернуть достаточно производительную сеть, которая по вашему желанию может быть как локальной, так и распределенной. Об этой уникальной технологии мы более подробно поговорим в следующей нашей статье.

B чем различие между сетями локальными и глобальными

На данный момент мы уже обладаем всеми необходимыми знаниями, чтобы попытаться вместе ответить на такой вопрос: в чем различие между сетями локальными и глобальными. (В статье я называл глобальную сеть «распределенной сетью», таким образом читатель не будет введен в заблуждение относительно размеров сети.)

Итак, сеть является локальной или глобальной, в зависимости от того, на основе какой технологии она создана. И если технология принадлежит к классу локальных, то и сеть обязательно будет локальной. Это справедливо и по отношению к сети распределенной.

Некоторым покажется, что это звучит немного глупо, получается, что сеть локальная потому, что она локальная. Однако по сути так оно и есть. По моему мнению, иная постановка вопроса не совсем корректна (имеется в виду, вопросы типа, как можно отнести сеть к локальной или глобальной; но ведь сеть не нужно относить к какому-то типу, она по своей сути будет или локальной или глобальной). Ответы сводились лишь к описаниям каких-то внешних атрибутов типа размера или производительности. Это все равно, что пытаться проводить различия между ложкой или вилкой: можно долго описывать, что вилка колючая, что ложкой набирается жидкость, стараться находить различие по массе и т.д. :-). Однако каждому посвященному человеку, который знает идею строения ложки и идею строения вилки, не составит труда отличить их, несмотря на варьирующиеся геометрические размеры, пропорции и массы. Так и мы, опираясь на полученные знания о том, что из себя представляет сеть локальная, и что такое сеть распределенная, можем с уверенностью ответить, что данная сеть, к примеру, действительно локальная, несмотря на то, что ее сегменты могут находиться на расстояниях в тысячи километров и соединяться мостом. Даже если в качестве моста, передающего данные между сегментами, применяется распределенная сеть :-). Единственное исключение из правила — это сеть АТМ, которая может быть как локальной, так и глобальной.