Компьютерные сети : Реферат: Высокоскоростные сети
Реферат: Высокоскоростные сети
Введение.
Новые требования к производительности сетей, предъявляемые современными
приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы
оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость
расширения соответствующих стандартов. Привычный десятимегабитный
Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком
случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и
существенно более быстрыми технологиями передачи данных.
На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад
представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка
различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и
основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:
Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его расширенный
вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией
мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI
поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.
100Base X Ethernet, представляющую собой высокоскоростной Ethernet с
множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная
технология - экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.
100Base VG AnyLAN, новую технологию построения локальных сетей,
поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью
передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.
Gigabit Ethernet. Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet.
ATM, технологию передачи данных, работающую как на существующем
кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи.
Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой
увеличения до 2.488 Гбит/сек.
Fibre Channel, оптоволоконную технологию с коммутацией физических
соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких
скоростей. Ориентиры - кластерные вычисления, организация взаимодействия
между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей,
поддержка соединений типа рабочая станция - суперкомпьютер.
Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже
более).
Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on
LAN), инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым
уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.
АТМ
АТМ - ребенок телефонных компаний. Технология эта разрабатывалась далеко
не в расчете на компьютерные сети передачи данных. ATM радикально
отличается от обычных сетевых технологий. Основная единица передачи в
этом стандарте - это ячейка, в отличие от привычного пакета. Ячейка
содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Частично это
необходимо, чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передачи
мультимедийных данных. (Фактически, размер ячейки явился компромиссом
между американским телефонными компаниями, которые предпочитают размер
ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам).
Устройства АТМ устанавливают связь между собой и передают данные по
виртуальным каналам связи, которые могут быть временными или
постоянными. Постоянный канал связи - это путь, по которому передается
информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика.
Временные каналы создаются по требованию и, как только передача данных
заканчивается, закрываются.
С самого начала АТМ проектировался как система коммутации с помощью
виртуальных каналов связи, которые обеспечивают заранее
специфицированный уровень качества сервиса (Quality of Service - QoS ) и
поддерживают постоянную или переменную скорость передачи данных. Модель
QoS позволяет приложениям запросить гарантированную скорость передачи
между приемником и источником, не обращая внимания на то, сколь сложен
путь между ними. Каждый АТМ - коммутатор, связываясь с другим, выбирает
такой путь, который гарантирует требуемую приложением скорость.
Если система не может удовлетворить запрос, то она сообщает об этом
приложению. Правда, существующие протоколы передачи данных и приложения
не имеют никакого понятия о QoS, так что это еще одно отличное свойство,
которое никто не использует.
Благодаря наличию таких полезных свойств АТМ никого не удивляет всеобщее
желание продолжать совершенствование этот стандарт. Но пока существующие
реализации оборудования довольно ограничены первоначальным подходом,
который ориентировался на другие, некомпьютерные, задачи.
Например, АТМ не имеет встроенной системы широковещательного оповещения
(это характерно для АТМ, есть идея, но нет стандарта). И хотя
широковещательные сообщения - извечная головная боль для любого
администратора, в некоторых случаях они просто необходимы. Клиент,
который ищет сервер, должен иметь возможность разослать сообщение "Где
сервер?", что бы затем, получив ответ, направлять свои запросы уже
непосредственно по нужному адресу.
Форум АТМ специально разработал спецификации для эмуляции сети - LAN
emulation (LANE). LANE превращает "точка-точка"-ориентированную АТМ сеть
в обычную, где клиенты и серверы видят ее как нормальную
широковещательную сеть, использующую протокол IP (а скоро и IPX). LANE
состоит из четырех различных протоколов: протокола конфигурации сервера
(LAN emulation configuration service - LECS), протокола сервера (LAN
emulation server - LES), протокола общего вещания и неизвестного сервера
(Broadcast and Unknown Server - BUS) и протокола клиента (LAN emulation
client - LEC).
Когда клиент с помощью LANE пытается подключиться к сети АТМ, то
первоначально он использует протокол LECS. Поскольку АТМ не поддерживает
широковещательных сообщений, форум АТМ выделил специальный адрес LECS,
который никто другой уже не использует. Посылая сообщение по этому
адресу клиент получает адрес соответствующего ему LES. Уровень LES
обеспечивает необходимые функции ELAN (emulated LAN). С их помощью
клиент может получить адрес BUS-сервиса и послать ему сообщение
"подключился такой-то клиент", чтобы затем BUS уровень мог, получая
сообщения, переслать его всем зарегистрировавшимся клиентам.
Для того чтобы использовать не АТМ протоколы, необходимо использовать
LEC. LEC работает как конвертор, эмулируя обычную топологию сети,
которую подразумевает IP. Поскольку LANE только моделирует Ethernet, то
он может устранить некоторые старые технологические ошибки. Каждый ELAN
может использовать различные размеры пакетов. ELAN, который обслуживает
станции, подключенные с помощью обычного Ethernet, использует пакеты
размером 1516 байт, в то время как ELAN обеспечивающий связь между
серверами может посылать пакеты по 9180 байт. Всем этим управляет LEC.
LEC перехватывает широковещательные сообщения и посылает их BUS. Когда
BUS получает такое сообщение, то посылает его копию каждому
зарегистрировавшемуся LEC. Одновременно, перед тем как разослать копии,
он преобразует пакет обратно в Ethernet-форму, указывая вместо своего
адреса широковещательный.
Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок является причиной
того, что только 90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной
информации. Таким образом, реальная скорость передачи данных - всего
лишь 140 Мбит/с. И это без учета накладных расходов на установку связи и
прочие служебные взаимодействия между различными уровнями протоколов -
BUS и LECS.
Да, АТМ - сложная технология и пока его использование ограничивает LANE.
Все это сильно сдерживает широкое распространению данного стандарта.
Правда, существует обоснованная надежда, что он действительно будет
применяться, когда появятся приложения, которые смогут воспользоваться
преимуществами АТМ непосредственно.
ATM - данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной
передачи данных (Asynchronous Transfer Mode), а не только Adobe Type
Manager или Automatoc Teller Machine, что многим может показаться более
привычным. Данную технологию построения высокоскоростных вычислительных
сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость от
небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до
трансконтинентальных сетей.
В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155
Мбит/сек) либо оптоволокно.
ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии
передачи пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно
используемой для построения телекоммуникационных магистралей и
телефонной сети. Поэтому прежде всего мы рассмотрим STM.
Модель STM
STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений, где
соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и
разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы
захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым
рассоединиться, независимо от того, передают они данные или "молчат".
Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на
базовые трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или
слотами. Слоты объединены в обойму, содержащую фиксированное число
каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в
соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть
несколько - от 1 до М), определяет свой набор соединений. Обойма
предоставляет свои слоты для установления соединения с периодом Т. При
этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет
доступна. Параметры N, M и Т определяются соответствующими комитетами по
стандартизации и различаются в Америке и Европе.
В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным
номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в
распоряжении соединения в течение всего времени существования этого
соединения.
Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном
направлении с периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот,
которому этот поезд подходит, он занимает свободное место. Если такого
пассажира нет, то место остается пустым и не может быть занято никем
другим. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется,
к тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (M*N)
невозможно.
Переход на ATM
Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и
трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи данных
разных типов. В современных коммуникациях можно выделить два типа
запросов:
- передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к
возможных задержкам (например, сигналы телевидения высокой четкости и
звуковая информация);
- передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих
потерь информации (этот тип передачи, как правило, относится к
межкомпьютерным обменам).
Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению
запросов на обслуживанию запросов на обслуживание, требующих большой
полосы пропускания, но при малом времени передачи. Узел, порой, требует
пиковой производительности канала, но происходит это относительно редко,
занимая, скажем, одну десятую времени. Для такого вида канала
реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем, естественно,
теряется эффективность использования канала. Было бы замечательно, если
бы существовала возможность передать временно неиспользуемый слот
другому абоненту. Увы, в рамках модели STM это невозможно.
Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими
европейскими телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к
появлению сразу двух стандартов на спецификацию ATM.)
Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком соответствии
соединения и номера слота нет. Достаточно передавать индентификатор
соединения вместе с данными на любой свободный слот, сделав при этом
пакет настолько маленьким, чтобы в случае потери утрата легко
восполнялась бы. Все это изрядно смахивает на коммутацию пакетов и даже
называется похоже: "быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной
длины". Короткие пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний,
стремящихся сохранить аналоговые линии STM.
В сети ATM два узла находят друг друга по "виртуальному идентификатору
соединения" (Virtual Circuit Identifier - VCI), используемому вместо
номеров слота и обоймы в модели STM. Быстрый пакет передается в такой же
слот, как и раньше, но без каких-либо указаний или идентификатора.
Статистическое мультиплексирование
Быстрая коммутация пакетов позволяет решить проблему неиспользуемых
слотов посредством статистического мультиплексирования нескольких
соединений по одной линии связи в соответствии с параметрами их трафика.
Другими словами, если большое число соединений носят импульсный характер
(соотношение пиковой активности к средней - 10 или более к 1), есть
надежда, что пики активности разных соединений будут совпадать не
слишком часто. В случае совпадения один из пакетов буферизуется пока не
появятся свободные слоты. Такой способ организации соединений при
правильно подобранных параметрах позволяет эффективно загружать каналы.
Статистическое мультиплексирование, неосуществимое в STM, и является
основным достоинством ATM.
Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM
Прежде всего - это интерфейс, ориентированный на подключение к локальным
сетям, оперирующим кадрами данных (семейства IEEE 802.x и FDDI). В этом
случае аппаратура интерфейса должна транслировать кадры локальной сети в
элемент передачи сети ATM, выступающей в качестве глобальной магистрали,
связывающей два значительно удаленных друг от друга сегмента локальной
сети.
Альтернативой может служить интерфейс, предназначенный для обслуживания
конечных узлов, непосредственно оперирующих форматами данных ATM. Такой
подход позволяет повысить эффективность сетей, требующих значительных
объемов передачи данных. Для подключения конечных пользователей к такой
сети используются специальные мультиплексоры.
В целью администрирования такой сети на каждом устройстве исполняется
некоторый "агент", поддерживающий обработку административных сообщений,
управление подключениями и обработку данных соответствующего протокола
управления.
Формат данных ATM
Пакет ATM, определенный специальным подкомитетом ANSI, должен содержать
53 байта.
5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть пакета.
В заголовке 24 бита отдано идентификатору VCI, 8 бит - контрольные,
оставшиеся 8 бит отведены для контрольной суммы. Из 48 байт
содержательной части 4 байта может быть отведено для специального
адаптационного уровня ATM, а 44 - собственно под данные. Адаптационные
байты позволяют объединять короткие пакеты ATM в более крупные сущности,
например, в кадры Ethernet. Контрольное поле содержит служебную
информацию о пакете.
Уровень протокола ATM
Место ATM в семиуровневой модели ISO - где-то в районе уровня передачи
данных. Правда, установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM
сама занимается взаимодействием узлов, контролем прохождения и
маршрутизацией, причем осуществляется это на уровне подготовки и
передачи пакетов ATM. Впрочем, точное соответствие и положение ATM в
модели ISO не столь важны. Более существенно - понять способ
взаимодействия с существующими сетями TCP/IP и в особенности с
приложениями, требующими непосредственного взаимодействия с сетью.
Приложениям, имеющим непосредственный интерфейс ATM, доступны
преимущества, предоставляемые гомогенной сетевой средой ATM.
Основная нагрузка возложена на уровень "Управления виртуальными
соединениями ATM", дешифрующий специфические заголовки ATM,
устанавливающий и разрывающий соединений, осуществляющий
демультиплексирование и выполняющий действия, которые от него требуются
управляющим протоколом.
Физический уровень
Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM, он
учитывается многими стандартизующими комитетами. В основном, в качестве
физического уровня рассматривается спецификация SONET (Synchronous
Optical Network) - международный стандарт на высокоскоростую передачу
данных. Определены четыре типа стандартных скоростей обмена: 51, 155,
622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии цифровой
синхронной передачи (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). SDH
специфицирует, каким образом данные фрагментируются и передаются
синхронно по оптоволоконным каналам, не требуя при этом синхронизации
каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в процессе передачи и
восстановления данных.
Контроль прохождения данных
Из-за высокой производительности сетей ATM механизм, традиционно
используемый в сетях ТСР, непригоден. Если бы контроль прохождения был
возложен на обратную связь, то за время, пока сигнал обратной связи,
дождавшись выделения канала и пройдя все стадии преобразования,
достигнет источника, тот успеет передать несколько мегабайт в канал, не
только вызвав его перегрузку, но, возможно, полностью блокировав
источник перегрузки.
Большинство стандартизующих организаций согласно с необходимостью
целостного подхода к контролю прохождения. Его суть такова: управляющие
сигналы формируются по мере прохождения данных на любой участке цепи и
отрабатываются на любой ближайшем передающем узле. Получив
соответствующий сигнал, пользовательский интерфейс может выбрать, как
ему поступить - уменьшить скорость передачи или сообщить пользователю о
том, что переполнение имеет место.
В основном, идея контроля прохождения в сетях ATM сводится к воздействию
на локальный сегмент, не затрагивая при этом сегментов, чувствующих себя
хорошо, и добиваясь максимальной пропускной способности там, где это
возможно.
Стек протоколов пользовательского интерфейса в TCP/IP Непосредственный
интерфейс ATM
Данные Приложение, канализирующее данные
TCP Интерфейс приложения ОС
IP Управление виртуальными соединениями ATM
Прикладной уровень ATM
Уровень передачи данных Драйвер интерфейса ATM
Физический уровень (SONET) ATM
100VG-AnyLAN
В июле 1993 года по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был
организован новый комитет IEEE 802.12, призванный стандартизовать новую
технологию 100BaseVG. Данная технология представляла собой
высокоскоростное расширение стандарта IEEE 802.3 (известного также как
100BaseT, или Ethernet на витой паре).
В сентябре компания IBM предложила объединить в новом стандарте
поддержку Ethernet и Token Ring. Изменилось и название новой технологии
- 100VG-AnyLAN.
Технология должна поддерживать как уже существующие сетевые приложения,
так и вновь создаваемые. На это направлена одновременная поддержка
форматов кадров данных и Ethernet, и Token Ring, обеспечивающая
прозрачность сетей, построенных по новой технологии, для существующих
программ.
С некоторых пор витая пара повсеместно заменяет коаксильные кабели. Ее
преимущества - большая мобильность и надежность, низкая стоимость и
более простое администрирование сети. Процесс вытеснения коаксильных
кабелей идет и у нас. Стандарт 100VG-AnyLAN ориентирован как на витые
пары (для использования пригодно любое имеющееся кабельное хозяйство),
так и на оптоволоконные линии, допускающие значительную удаленность
абонентов. Впрочем, на скорости обмена применение оптоволокна не
сказывается.
Топология
Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring, она
поддерживает топологии, применяемые для этих сетей (логически общая шина
и маркерное кольцо, соответственно). Физическая топология - обязательно
звезда, петли или ветвления не допускаются.
При каскадном подключении хабов между ними допускается только одна линия
связи. Образование резервных линий возможно лишь при условии, что в
каждый момент активна ровно одна.
Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но из-за
снижения производительности сети реальный максимум более скромен - 250
узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удал |
