Разработка структурной схемы маршрутизатора

Аннотация

Темой данной дипломной работы является разработка структурной схемы маршрутизатора, реализующего логический способ формирования плана распределения информации. Дипломная работа включает в себя общее описание широкополосных сетей интегрального обслуживания; классификацию алгоритмов маршрутизации. Разработана структурная схема маршрутизатора, реализующего анализируемый метод маршрутизации. Приведена математическая модель для данного метода. Рассмотрены вопросы, связанные с техникой безопасности при работе с ЭВМ.

Динамика современного экономического и социального развития страны в значительной степени определяется развитием инфраструктур, важнейшим элементом которой является связь. Сети связи должны обеспечивать передачу и распределение всевозможных информационных потоков, необходимых для удовлетворения нужд населения, эффективного функционирования производственных процессов делового и промышленного сектора, проведение государственных и политических мероприятий. Современный этап развития сетей связи характеризуется стремительным увеличением объемов передаваемой информации.

В настоящее время общество постепенно вступает в эру информационной экономики, поэтому традиционная классификация основных видов производства «товары и услуги», трансформируется в «товары, услуги и информация». Успехи в создании и внедрении современных сетевых технологий создали предпосылки для широкомасштабной реализации новых сетевых решений.

Бурный рост пользователей телекоммуникационных сетей привел к серьезному спросу на услуги передачи данных и их качество. Между компаниями, предоставляющими различные сетевые услуги, возникла жесткая конкуренция, в результате которой наметилась тенденция объединения различных информационных структур в единую технологию способную поддерживать передачу данных любого типа. Внедрение широкополосных сетей интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО) с использование технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode) позволяет разрешить данную задачу.

Данная дипломная работа посвящена проблеме маршрутизации в Ш-ЦСИО. Приведена краткая характеристика Ш-ЦСИО. Рассмотрены различные алгоритмы маршрутизации, в частности логический метод формирования плана распределения информации (ПРИ), разработана структурная схема маршрутизатора, реализующего данный метод. Приведена математическая модель для данного метода. Отражены вопросы безопасности жизнедеятельности при работе с ЭВМ.

1. Общие положения Ш-ЦСИО

1.1 Предпосылки возникновения и перспективы развития Ш-ЦСИО

В настоящее время в мире электронных коммутации используются три принципиально различные информационные инфраструктуры: телефонная сеть для передачи речи, кабельная сеть и система телевещания для трансляции видеоизображения, сети с коммутацией пакетов для взаимодействия между компьютерами.

Высокоскоростные каналы телефонной сети для связи на большие расстояния служат для передачи видеосигналов и объединения отдельных локальных сетей, осуществляя обмен компьютерными данными. Отрасль кабельного телевидения также развивается в направлении поддержки компьютерных коммуникации, обеспечивая передачу по одному кабелю телевизионных программ и компьютерных данных. По существу различные типы коммутационных технологий эволюционировали параллельно. Все они переходили от аналоговых технологий к цифровым методам передачи, мультиплексирования и коммутации. Специалисты в отрасли связи постепенно пришли к мнению, что различные информационные инфраструктуры нужно слить в единую сетевую технологию способную поддерживать передачу данных любого типа.

Развитие современных сетевых технологий, успехи в создании волоконно-оптических линий связи и сверхбольших интегральных схем с большой памятью и огромным быстродействием привели к разработке нового способа транспортирования информации, получившего наименование асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer Mode), то есть была внедрена широкополосная сеть интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО) с использованием технологии АТМ.

Технология АТМ обеспечивает:

транспортирование всех видов информации (речи, музыки, подвижных и неподвижных изображений, данных) в виде пакетов фиксированной длины — ячеек;

выделение пользователю в каждый момент времени только того ресурса пропускной способности сети, который ему необходим;

поддержку интерактивных (диалоговых) служб и служб распределения информации, а также служб с установлением и без установления соединения;

АТМ представляет собой метод коммутации, мультиплексирования и передачи, являющийся разновидностью коммутации пакетов, в которой используются короткие пакеты постоянной длины, именуемые ячейками. Обработка ячеек в блоке коммутации ограничивается анализом заголовков ячеек для маршрутизации их в соответствующие очереди.

В сети АТМ не реализуются функции управления потоков и обработки ошибок, которые решаются на уровне прикладных задач пользователя или устройствами доступа.

Вследствие этих особенностей АТМ способен удовлетворять условиям, налагаемым такими различными видами информации, как речь, движущиеся изображения или данные. Этот универсальный режим передачи делает возможным объединение всех видов служб на единственном доступе к сети.

Размер полезной нагрузки ячеек АТМ, равный 48 байтам, является следствием компромисса: во время заседания МСЕ-Т в Женеве представители США и нескольких других стран рекомендовали 64-байтовое поле данных, тогда как европейские страны предпочитали 32-байтовое поле. Поскольку не удавалось выработать общее мнение по технической стороне вопроса, было принято компромиссное решение.

Концепция АТМ смогла сформироваться и столь быстро добиться одобрения, потому что её корни уходят глубоко в общее развитие области электросвязи. Выбор АТМ вызвал не полное изменение, а скорее внедрение нового в существующие методы; в перспективе это должно привести к унификации режимов передачи, используемых всеми устройствами, относящимися к среде связи (терминалами, локальными сетями, крупномасштабными сетями).

Мир электросвязи постоянно развивается, при этом каждая новая техника обычно строится на одной из предшествующих. Так, цифровая мультиплексная иерархия основана на временном разделении и методе ретрансляции кадров, который в свою очередь представляет собой усовершенствование коммутации пакетов.

1.2 Виды сервиса

Немногие технологии получили за последние несколько лет такое широкое освещение в компьютерной прессе, как Asynchronous Transfer Mode (АТМ). АТМ — очень гибкая технология; она позволяет передавать по сети различные типы трафика — голос, видео и данные, обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивой к задержкам информации.

Виды сервиса, предоставляемые пользователю, приведены в таблице 1.1. 1]

1.3 Структура эталонной модели протоколов Ш-ЦСИО Технология АТМ была разработана организациями ANSI (American National Standards Institute) и ITU (International Telecommunications Union) как транспортный механизм для широкополосной сети и имеет собственную модель.

Общий вид эталонной модели протоколов Ш — ЦСИО с использованием технологии АТМ представлен на рисунке 1.1. 2]

Модель включает в свой состав три плоскости: плоскость пользователя, плоскость управления и плоскость менеджмента.

Плоскость пользователя (Uplane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком, ограничения нагрузки и тому подобное. Плоскость пользователя умеет уровневую структуру.

Плоскость управления (С — plane) определяет протоколы установления, контроля и разъединения соединений, ей принадлежат все функции сигнализации, кроме протоколов метасигнализации. Плоскость управления имеет также уровневую структуру.

Плоскость менеджмента (M — plane) обеспечивает выполнение функций двух типов: управление плоскостями и управление уровнями. Функции управления плоскостями обеспечивают координацию между всеми «гранями» модели протоколов и относятся ко всей Ш-ЦСИО, связывая её в единое целое. Область управления плоскостями не имеет уровневой структуры.

Функции управления уровнями решают задачи распределения сетевых ресурсов, согласования их с параметрами трафика, обработки информации эксплуатации и технического обслуживания и управления сетью. Управление уровнями имеет уровневую структуру.

Первыми тремя уровнями эталонной модели являются: физический, уровень АТМ, уровень адаптации АТМ.

Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС). В настоящее время модель АТМ не включает в себя никаких дополнительных уровней, то есть таких, которые соответствуют более высоким уровням ЭМ ВОС. Однако самый высокий уровень в модели АТМ может связываться непосредственно с физическим, канальным, сетевым или транспортным уровнем ЭМ ВОС.

Основные функции уровней и их деление на подуровни приведены в таблице 1.2[1].

1.3.1 Физический уровень Условия, налагаемые на физический уровень уровнем АТМ, очень ограничены.

Поток ячеек, сгенерированный на уровне АТМ, может быть передан практически по любой цифровой системе передачи. Это означает, что он может быть адаптирован к любой существующей или будущей системе передачи.

Физический уровень может быть разделен на два подуровня, которые обеспечивают выполнение ниже перечисленных основных функций:

подуровень конвергенции управляет адаптацией скорости передачи битов, защитой заголовка, выделением ячейки и адаптацией к структуре физической среды;

подуровень физической среды отвечает за кодирование, декодирование, скремблирование и адаптацию к среде.

Подуровень, зависящий от физической среды, определяет скорость передачи битового потока через данную физическую среду, а также обеспечивает синхронизацию между передачей и приемом. На этом уровне осуществляется линейное кодирование и, если необходимо, электронно-оптическое и оптоэлектронное преобразование сигналов. В качестве физической среды, используемой для распространения сигнала, чаще всего используется одномодовое или многомодовое оптоволокно.

Подуровень конвергенции с системой передачи определяет порядок передачи ячеек АТМ в битовом потоке и выполняет следующие функции:

генерацию кадра системы передачи и его восстановление на приеме;

адаптацию потока ячеек к кадру передачи на передающей стороне и выделение ячеек из кадра на приемной стороне;

формирование поля контроля ошибок в заголовке на передающей стороне для обнаружение и исправление одиночных ошибок, если это возможно, на приемной стороне;

согласование скорости ячеек.

В качестве цифровых систем передачи могут использоваться системы передачи синхронной (СЦИ) или плезиохронной (ПЦИ) цифровой иерархии с собственной структурой кадра. Поэтому требуется специальный механизм упаковки ячеек в поле полезной нагрузки кадра систем передачи СЦИ или ПЦИ. Кроме того в интерфейсе — «пользователь — сеть» МСЭ — Т предложена специальная структура, в которой кадр эквивалентен ячейке. Такая система передачи получила название ячеечной. Выделение ячеек — это механизм, позволяющий на приемном конце восстановить границы ячейки. На передающей стороне осуществляется формирование последовательности контроля ошибок в заголовке. Эта последовательность помещается в соответствующее поле заголовка ячейки. На стороне приема значение последовательности контроля ошибок в заголовке пересчитывается и сравнивается. В случае несовпадения ошибка, если это возможно, исправляется, или, в противном случае, ячейка стирается.

Согласование скорости ячеек заключается в том, что если со стороны уровня АТМ поток ячеек меньше пропускной способности системы передачи (СП), то подуровень конвергенции физического уровня на передающей стороне добавляет ячейки, которые не содержат информации, а на стороне приема отбрасывает их. Такие ячейки получили наименование «пустых».

Адоптация скорости. Скорость передачи битов потока мультиплексированных ячеек, сформированного уровнем АТМ, обычно не равна рабочей скорости передачи битов в физическом звене доступа. Поэтому необходима адаптация скорости, зачастую называемая стаффингом или выравниванием. Различные варианты выполнения этой адаптации могут быть сгруппированы в три основных способа, третий из них в действительности является комбинацией двух первых:

Для генерации непрерывного потока ячеек в него вводятся пустые ячейки. В случае цикловой системы передачи результирующий поток соответствует нагрузке звена передачи (например, синхронные циклы SDH), тогда как если звено передачи ориентированно на ячейки, он равен общей скорости передачи битов в звене. Этот метод ввода был поддержан МСЕ-Т для широкополосной сети.

Поток ячеек, напротив, может оставаться прерывистым; этот тип потока в основном встречается в локальных сетях АТМ, которые пока ещё не стандартизованы. Так как интервал между ячейками может быть любой длины, для адаптации скорости передачи битов могут быть введены знаки стаффинга (символы «свободно»). Этот метод используется, например, для передачи ячеек АТМ в инфраструктуре, использующей физический уровень волоконно-оптического распределенного интерфейса данных на скорости 100 Мб/с.

Комбинация двух передающих способов состоит в группировании постоянного числа ячеек в блоки, которые могут содержать пустые ячейки. Интервалы между этими блоками могут быть заполнены переменным числом байтов стаффинга, чтобы гарантировать строгую последовательность блоков через 125 мкс каждый; этот способ используется для передачи ячеек АТМ по каналам плезиохронной цифровой иерархии.

1.3.2 Уровень АТМ В соответствии с эталонной моделью протоколов уровень АТМ расположен между физическим уровнем и уровнем адоптации АТМ. Форматы ячеек определены в рекомендациях МСЭ-Т I.361. Ячейка имеет длину 53 байта и содержит два основных поля:

заголовок (5байт), основная роль которого состоит в обеспечении распознавания ячеек, принадлежащих к одному и тому же соединению, и в их маршрутизации;

поле данных (48 байт), содержащее полезную нагрузку.

При этом в отличие от У-ЦСИО в Ш-ЦСИО кроме интерфейса «пользовательсеть» определен также интерфейс «сеть-сеть». Соответственно имеются два вида ячеек для этих видов интерфейсов. Общий вид ячейки АТМ, а так же структура заголовка ячейки АТМ в интерфейсах «сеть-сеть», «пользователь — сеть» приведены на рисунке 1.2 [1]

Заголовок ячейки в интерфейсе «пользователь-сеть» имеет следующие поля:

общего управления потоком (ОУП), длиною 4 бита;

идентификатора виртуального пути (ИВП), длиною 8 бит;

идентификатора виртуального канала (ИВК), длиною16 бит;

типа полезной нагрузки (ТПН), длиною 4 бита;

приоритета потери ячейки (ППЯ), длиною 1 бит;

контроля ошибок в заголовке (КОЗ), длиною 8 бит.

Структура заголовка ячейки в сетевом интерфейсе приведена на рисунке 1.2. Все различие состоит в том, что ОУП в сетевом интерфейсе не используется, а биты поля ОУП отданы полю ИВК, длина которого увеличена с 8-ми до 12 бит.

Поле общего управления потоком (ОУП) состоит из 4-х бит и предназначено для управления нагрузкой в соединениях «пользователь-сеть» с целью защиты от перегрузок, как в двухточечных, так и в многоточечных конфигурациях доступа. Поле ОУП используется для контроля нагрузки, создаваемой оконечными устройствами пользователя, но не используется для управления потоком, порождаемого сетью Поле идентификатора виртуального пути (ИВП) занимает 8 бит в интерфейсе «пользователь-сеть» и 12 бит в сетевом интерфейсе, что расширяет возможности маршрутизации.

Поле идентификатора виртуального канала (ИВК) вместе с полем ИВП составляет маршрутное поле ячейки. Поле ИВК занимает 16 бит как в интерфейсе «пользователь-сеть», так и в сетевом интерфейсе.

Для определения позиций, используемых для маршрутизации, бит внутри полей ИВП или в поле ИВК, установлены правила:

биты, используемые в поле ИВП или в поле ИВК, должны быть смежными;

битовая комбинация всегда должна начинаться с младшего значащего бита соответствующего поля;

биты, не используемые ни пользователем, ни сетью, не должны устанавливаться на ноль.

Поле типа полезной нагрузки (ТПН) используется для идентификации пользовательских ячеек, ячеек эксплуатации и технического обслуживания (ЭТО) и управления ресурсами (таблица 1.3). Для ячеек, несущих пользовательскую информацию, предусмотрена возможность индикации нагрузки, а также для протокола уровня адаптации АТМ 5-го типа — индикация «пользователь уровня АТМ — пользователю уровня АТМ».

При наличии перегрузки любой перегруженный сетевой узел может модифицировать значение бита индикации перегрузки с 0 на 1 внутри поля типа полезной нагрузки ячеек пользователя. Это дает возможность информировать получателя о возникновении в сети перегрузки. В свою очередь получатель может информировать об этом пользователя, осуществляющего передачу информации, о необходимости снижения скорости генерации ячеек.

Поле приоритета потери ячейки (ППЯ) используется для указания явного приоритета потери ячейки. Если в поле приоритета записана 1 (ППЯ=1), то данная ячейка может быть сетевым узлом отброшена в случае возникновения перегрузок. Если в поле ППЯ записан 0 (ППЯ=0), то ячейка имеет высокий приоритет и должна быть сохранена.

Приоритет потери ячейки устанавливается пользователем или поставщиком услуг. Ячейки, принадлежащие источникам с постоянной скоростью передачи. Всегда должны иметь приоритет по сравнению с источниками с изменяющейся скоростью передачи.

В свою очередь при передаче ячеек источника с изменяющейся скоростью передачи части ячеек может присваиваться ППЯ=1, а части ППЯ=0. Это позволяет разделить поток на два: на поток, который определяет качество обслуживания (ППЯ=0). И на поток, потеря ячеек которого не очень сказывается на качестве обслуживания (ППЯ=1).

На узлах доступа может осуществляться проверка параметров потока пользователя, а на транзитных узлах — параметров сетевой нагрузки. Если параметры потока будут превышать установленные соглашением, то у части ячеек значение поля приоритета потери ячейки может меняться с 0 на 1. При перегрузках на других узлах эти ячейки могут сбрасываться.

Поле контроля ошибок в заголовке на уровне АТМ не заполняется и не проверяется.

1.3.3 Уровень адаптации АТМ В соответствии с эталонной моделью протоколов уровень адоптации АТМ расположен между уровнем АТМ и верхними уровнями. Уровень адоптации АТМ предназначен для преобразования трафика пользователя в протокольном блоке данных, для их размещения в поле полезной нагрузки одного или нескольких смежных пакетов АТМ или наоборот. В качестве пользователя может также выступать система управления (С — plane) или менеджмент (М — plane). На уровне АТМ все виды пользовательской информации мультиплексируются, демультиплексируются и транспортируются.

При этом каждый протокол уровня адоптации должен быть приспособлен к определённому классу трафика со своими специфическими характеристиками, определяющими уровень требования к временной и семантической прозрачности сети АТМ.

Уровень адаптации АТМ принято делить на два подуровня (рисунок 1.3):

подуровень сегментации и сборки;

подуровень конвергенции или слияния.

Основными функциями подуровня сегментации и сборки являются:

— на передающей стороне — сегментация протокольных блоков данных вышележащего уровня в 48байтов информационного поля ячейки АТМ;

— на приемной стороне — сборка информационных полей ячеек в протокольный блок данных более высокого уровня.

В свою очередь подуровень конвергенции делится на две части:

общую часть подуровня конвергенции;

служебно-ориентированный подуровень конвергенции.

При этом служебно-ориентированного подуровня конвергенции может не быть.

Уровень адоптации AAL определяется типом услуг, которые предоставляются пользователю сети АТМ (таблица 1.4). Различают несколько адаптационных уровней:

AAL 1 или первый тип с постоянной скоростью передачи битов (или эмуляции каналов);

AAL 2 или второй тип с переменной скоростью передачи битов видео и аудио информации;

AAL 3 или третий тип с ориентацией на соединение при передачи данных;

AAL 4 или четвёртый тип без ориентации на восстановление соединения при передачи данных;

AAL 5 или пятый тип для высокоскоростной передачи данных компьютерных сетей на основе протокола TCP/IP.

Уровень адаптации АТМ 1-го типа

Уровень адаптации АТМ 1-го типа обеспечивает выполнение в интересах верхнего уровня следующего перечня услуг:

— перенос блоков данных служб с постоянной битовой скоростью источника и доставку их получателю с той же скоростью;

— синхронизацию оконечных устройств источника и получателя информации;

— индикацию, если это необходимо, потери или искажения информации, если потеря или искажение информации не восстанавливаются в уровне адаптации;

— перенос между источником и оконечной точкой назначения данных о структуре транспортируемой информации.

Основными функциями, которые должен выполнять уровень адаптации АТМ 1-го типа в целях обеспечения выполнения вышеперечисленных услуг, являются:

— сегментация и сборка пользовательской информации;

— обработка переменных задержек пакетов АТМ с целью устранения влияния джиттера;

— обработка потерянных пакетов АТМ и пакетов АТМ, пришедших не по запросу;

— восстановление в приёмнике тактовой частоты источника;

— обработка битовых ошибок в управляющей информации протокола уровня адаптации АТМ;

— отслеживание битовых ошибок в информационном поле пользователя с возможностью их исправления;

На передающем конце подуровень сегментации и сборки принимает 47-байтные блоки данных подуровня конвергенции и добавляет к ним один байт заголовка, формируя протокольные блоки данных подуровня сегментации и сборки.

На приёмном конце подуровень сегментации и сборки принимает от уровня АТМ 48-ми байтные блоки и отделяет от них заголовки протокольного блока данных подуровня сегментации и сборки. Полезная нагрузка протокольного блока данных в виде 47-ми байтного блока поступает в подуровень конвергенции.

Структура 48-ми байтного протокольного блока данных (информационное поле пакета АТМ) подуровня сегментации и сборки для уровня адаптации первого типа показана на рисунке 1.4.

ИПК выставляется подуровнем конвергенции и дает возможность на приёмном конце опознать уровень конвергенции, на который должна быть направлена полезная нагрузка протокольного блока данных подуровня сегментации и сборки.

Значение НП подуровень сегментации и сборки получает от подуровня конвергенции для каждого 47-ми байтного блока полезной нагрузки. На приёмном конце НП поступает с целью обнаружения потери или вставки полезной нагрузки.

Поле ЗНП обеспечивает обнаружение и исправление ошибок в заголовке протокольного блока данных подуровня сегментации и сборки.

Подуровень конвергенции является служебно-зависимым и предназначен для транспортировки:

— асинхронных каналов, то есть сигналов от источников с постоянной двоичной скоростью, чьи тактовые частоты не синхронизированы с частотой сети связи;

— синхронных каналов, то есть сигналов от источников с постоянной двоичной скоростью, чьи тактовые частоты синхронизированы с сетевой тактовой частотой;

— видеосигналов для диалоговых распределительных служб;

— сигналов речевого диапазона;

— звуковых сигналов высокого качества.

Для защиты от битовых ошибок в службах звукового вещания высокого качества и видео может выполняться обнаружение и исправление ошибок, которое в целях более надежной защиты может комбинироваться с байтовым чередованием.

Для некоторых пользователей уровня адаптации АТМ 1-го типа подуровень конвергенции обеспечивает возможность восстановления тактовой частоты в приемнике, например, путём отслеживания заполнения буфера.

Для пользователей, требующих восстановления тактовой частоты источника на стороне приёма, уровень адаптации 1-го типа обеспечивает механизм по переносу информации синхронизации.

На уровне конвергенции для обнаружения потерянных и пришедших не по адресу пакетов АТМ может использоваться информация, которая получается на подуровне конвергенции и сборки при проверке заголовка протокольного блока данных. Для некоторых служб предусматривается исправление ошибок в поле полезной нагрузки и восстановление потерянных пакетов. Для обеспечения функций подуровня конвергенции для некоторой категории пользователей уровень адаптации АТМ может использовать информацию поля индикации подуровня конвергенции. Подуровень конвергенции может также формировать сообщения о состоянии сквозных характеристик сети с точки зрения уровня адаптации АТМ. 1]

Эти сообщения могут быть сформированы на основании информации:

— о количестве ошибок;

— о количестве потерянных и пришедших не по адресу пакетов АТМ;

— о недогрузке или перегрузке буфера.

Уровень адаптации АТМ 2-го типа Услуги, которые предоставляются уровнем адаптации 2-го типа верхнему уровню, должны включать:

— перенос блоков данных служб с изменяющейся скоростью передачи источников;

— обеспечение синхронизации между источником и получателем информации;

— оповещение о потерянной или ошибочной информации, которая не восстанавливается уровнем адаптации АТМ.

Для реализации вышеперечисленных услуг уровень адаптации АТМ 2-го типа должен выполнять следующие основные функции:

— сегментацию и сборку пользовательской информации;

— сглаживание джиттера задержки пакетов АТМ;

— выявление потерянных и неправильно вставленных пакетов АТМ;

— восстановление в приёмнике тактовой частоты источника;

— контроль битовых ошибок и исправление одиночных в управляющей информации протокола уровня адаптации АТМ.

Так как источник информации является источником с изменяющейся скоростью передачи, то пакеты АТМ могут заполняться на полностью, а уровень заполнения от пакета к пакету может меняться. Все это требует, чтобы в подуровне сегментации и сборки уровня адаптации АТМ 2-го типа выполнялось больше функции, чем при уровне адаптации АТМ 1-го типа.

Формат протокольного блока данных подуровня сегментации и сборки уровня адаптации АТМ 2-го типа представлен на рисунке 1.5.

Поле номера последовательности позволяет обнаруживать потерянные или пришедшие не по адресу пакеты АТМ. Определенные значения номера последовательности могут служить особым целям.

Поле типа информации используется для обозначения того, что в протокольном блоке содержится начало сообщения, продолжение сообщения, завершение сообщения или блок транспортирует информацию синхронизации, а также компоненты видео или аудио сигналов.

Поле индикатора длины показывает число байтов полезной нагрузки в информационном поле частично заполненного протокольного блока данных подуровня сегментации и сборки.

Поле с избыточным циклическим кодом предназначено для обнаружения и исправления ошибок.

Подуровень конвергенции должен выполнять следующие основные функции:

— восстановление тактовой синхронизации для служб аудио и видео с переменной скоростью передачи информации;

— контроль последовательности прихода пакетов АТМ с целью обнаружения потерянных или пришедших не по адресу пакетов АТМ;

— обнаружение и исправление ошибок для служб аудио и видео.

Уровень адаптации АТМ ¾-го типа.

Уровень адаптации АТМ ¾-го типа рекомендован МСЭ-Т для передачи данных службами как с установлением соединений, так и службами без установления соединений при условии предъявления высоких требований к достоверности передаваемой информации.

Подуровень сегментации и сборки принимает от подуровня конвергенции сервисные блоки данных переменной длины и вырабатывает протокольные блоки данных подуровня сегментации и сборки, содержащие до 44-х байтов полезной нагрузки.

Основными функциями подуровня сегментации и сборки является транспортирование (перенос) между объектами уровня адаптации АТМ по одному соединению уровня АТМ нескольких сервисных блоков данных переменной длины с условием:

— обеспечения сохранности каждого сервисного блока;

— обнаружения ошибок;

— приоритетного обслуживания;

— сохранения целостности последовательности сервисных блоков данных;

— мультиплексирования и демультиплексирования;

— прерывания.

В целях реализации функции сегментации и повторной сборки сервисных блоков данных, протокольный блок подуровня сегментации и сборки содержит два поля:

— поле типа сегмента, состоящее из двух бит;

— поле индикатора длины, состоящее из шести бит.

ТСтип сегмента;

НПномер последовательности;

ИМидентификатор мультиплексирования для протокола 4-го типа;

ИДиндикатор дины заполнения информационной части;

ЦИКциклический избыточный код;

ПСС-ПБДпротокольный блок данных подуровня сегментации и сборки.

Указатель типа сегмента показывает, что протокольный блок данных является началом сообщения, продолжением, завершением или односегментным сообщением.

Для обнаружения ошибок в протокольном блоке данных используется поле ЦИК длиною 10 бит. В это поле записывается результат подсчета циклической избыточной проверки, которая выполняется над всем содержимым протокольного блока данных, включая заголовок, поле полезной нагрузки и поле индикатора длины.

Мультиплексирование обеспечивается с помощью 10-ти битового поля идентификатора мультиплексирования. Это позволяет мультиплексировать трафик 2¹⁰ =1024 пользователей по одному соединению уровня АТМ типа «точка-точка».

При передаче данных без установления соединения идентификатор мультиплексирования позволяет обеспечить поочередную передачу блоков данных многих пользователей по одному постоянному виртуальному соединению уровня АТМ. По этому постоянному виртуальному соединению могут транспортироваться пакеты АТМ от одного или нескольких терминалов без установления соединения через сеть АТМ к серверу или между двумя локальными сетями. При мультиплексировании в одном соединении АТМ все протокольные блоки данных получают одинаковое качество обслуживания.

Подуровень конвергенции уровня адаптации АТМ разделен:

— на общую часть подуровня конвергенции;

— на служебно-ориентированную часть подуровня конвергенции.

Общая часть подуровня конвергенции уровня адаптации АТМ ¾-го типа обеспечивает негарантированный перенос кадров любой длины от 1 до 65 535 байт.

Подуровень выполняет следующие функции:

— обеспечивает разграничение, и прозрачность сервисных блоков данных общей части подуровня конвергенции;

— обнаруживает ошибки и принимает соответствующие меры (поврежденные сервисные блоки данных или отбрасываются или доставляются в служебно-ориентированную часть подуровня конвергенции);

— назначает ёмкость буфера (каждый протокольный блок данных общей части подуровня конвергенции переносит в приёмный равноранговый объект оповещение о максимально необходимой для приёма блока данных ёмкости буфера).

При прерывании частично переданный протокольный блок сбрасывается.

Формат протокольного блока данных общей части подуровня конвергенции уровня адаптации АТМ ¾-го типа показан на рисунке 1.7.

Поле индикатора общей части используется для интерпретации последующих полей в заголовке и в хвостовике.

Поле метки начала обеспечивает связь заголовка данного протокольного блока с хвостовиком.

Поле НЕБ информирует приёмное устройство о максимальных требованиях к ёмкости буфера. Поле заполнения размещается между концом полезной нагрузки и хвостовиком.

Уровень адаптации АТМ 5-го типа Протокол уровня адаптации ¾-го типа имеет очень высокую избыточность, а также поле обнаружения ошибок не обеспечивает достаточный уровень семантической прозрачности сети для транспортирования длинных блоков данных. Поэтому был введен новый тип уровня адаптации АТМ 5-го типа.

Основной задачей, которая решалась при создании и спецификации уровня адаптации АТМ 5-го типа предоставление услуг высокоскоростной передачи данных с меньшей служебной избыточностью и лучшими показателями семантической прозрачности.

Подуровень сегментации и сборки принимает из общей части подуровня конвергенции сервисные блоки данных переменной длины и вырабатывает протокольные блоки данных, содержащие 48 байтов данных уровня сегментации и сборки.

Основные функции подуровня сегментации и сборки:

— негарантированная доставка данных, содержащихся в кадрах пользователя, которые могут иметь любую длину в пределах от 1-го до 65 535 байтов;

— обнаружение и индикация ошибок (ошибки в битах, потеря пакета АТМ или поступление пакета АТМ не по адресу);

— обеспечение целостности последовательности сервисных блоков данных общей части подуровня конвергенции в каждом соединении;

— соединение общих частей подуровня конвергенции, который устанавливается плоскостью управления или менеджмента.

Общая часть подуровня конвергенции обеспечивает передачу всех интерфейсных блоков данных, принадлежащих одному сервисному блоку данных, в одном протокольном блоке данных.

Функции, которые реализуются в общей части подуровня конвергенции уровня адаптации 5-го типа аналогичны функциям, которые подуровнем конвергенции уровня адаптации ¾-го типа. Исключением является то, что общая часть подуровня конвергенции уровня адаптации 5-го типа не передает принимающему объекту оповещение о назначаемой ёмкости буфера. Кроме этого, защита от ошибок на уровне адаптации 5-го типа полностью выполняется в общей части подуровня конвергенции и не делится между подуровнями сегментации и сборки и общей частью подуровня конвергенции, как это рекомендуется выполнять в уровне ¾-го типа.

Для выполнения функций, которые возлагаются на общую часть подуровня слияния, необходим 8-ми байтовый хвостовик протокольного блока данных. Хвостовик протокольного блока данных всегда размещается в последних 8-ми байтах последнего протокольного блока подуровня сегментации и сборки. Поэтому поле заполнения имеет длину от 0 до 47 байтов. В этом случае при любой длине полезной нагрузки от 1 до 65 575 байтов и 8-ми байтовом заголовке протокольный блок данных общей части подуровня конвергенции может быть разделен без остатка на протокольные блоки подуровня сегментации и сборки для предоставления на уровень АТМ. Допускается любое кодирование этого поля.

Уровень адаптации АТМ определяет также четыре категории сервиса:

— постоянная скорость передачи в битах;

— переменная скорость передачи в битах;

— неопределенная скорость передачи в битах;

1.4 Быстрая коммутация пакетов

Организация связи в распределённых сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих и исходящих каналов в требуемых направлениях. Классификация видов коммутации приведена на рисунке 1.8

Как видно из рисунка 1.8, известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в узел коммутации каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в узел коммутации каналов сначала записываются в буферное запоминающее устройство (БЗУ), откуда через определённый промежуток времени поступают в исходящие каналы.

Примером коммутации, использующей непосредственное соединение, является коммутация каналов, при которой канал предоставляется пользователю на время сеанса связи с момента установления соединения до момента завершения работы и разъединения. Однако коммутация каналов представляет собой очень не гибкую процедуру, так как продолжительность временного интервала однозначно определяет скорость передачи в канале связи. На самом деле требования различных служб к скорости передачи могут быть очень разными: от очень низких до очень высоких. И поэтому, если в качестве основной выбирать самую высокую скорость (которая способна обеспечить потребности любой службы), то в этом случае служба, которой необходима значительно меньшая скорость, будет занимать канал с высокой скоростью на всё время соединения, что, следовательно, приводит к очень низкой эффективности использования сетевых ресурсов. Таким образом, очевидно, что обычная коммутация каналов непригодна для использования в Ш-ЦСИО.

Коммутация сообщений и коммутация пакетов относятся к соединению с накоплением информации. Отличие между ними заключается лишь в том, что в случае коммутации сообщений всё сообщение записывается в БЗУ, а через некоторый промежуток времени считывается в исходящие каналы в выбранном направлении. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами (при использовании ATM — на ячейки длиной 53 байта) и далее эти пакеты будут передаваться между двумя узлами сети.

Различают два режима передачи пакетов: режим датаграмм и режим виртуальных каналов. При датаграммном режиме каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки, коммутатор может изменить маршрут какоголибо пакета в зависимости от состояния сети — работоспособности каналов и других коммутаторов, длины очередей пакетов в соседних коммутаторах и т. д. Датаграммный метод не требует предварительного установления соединения, так как маршрут выбирается в процессе передачи каждого пакета, и поэтому работает без задержки перед передачей данных. Это особенно выгодно для передачи соизмеримым со временем передачи данных.

Метод быстрой коммутации пакетов, который используется в Ш-ЦСИО, относится к другому режиму работы сети — передача пакетов по виртуальному каналу. Понятие «виртуальный канал» (ВК) используется для описания однонаправленной передачи ячеек, имеющих общий идентификатор виртуального канала. Понятие «виртуальный путь» (ВП) используется для описания однонаправленной передачи ячеек, принадлежащих виртуальным каналам, имеющих общий идентификатор виртуального пути.

В этом случае, перед тем как начать передачу данных, абонентуполучателю направляется служебный пакет, прокладывающий виртуальное соединение. При этом маршрут определяется по таблице маршрутизации, а фиксация маршрута осуществляется с помощью таблиц коммутации. В таблицу коммутации записывается информация вида: пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Таким образом, в памяти управляющего компьютера существует виртуальное (условное) соединение. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объём памяти понадобится для приёма. Если компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю (также в виде специального служебного пакета) на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами.

При быстрой коммутации пакетов ячейка, поступившая на вход коммутационной системы, характеризуется номером входного виртуального тракта и номером виртуального канала (поля ИВТ и ИВК в заголовке). БКП состоит в выполнении следующих действий:

принятие входящей ячейки;

чтение заголовка ячейки (определение ИВТ и ИВК);

изменение ИВТ и ИВК в заголовке за счёт обращения к таблице коммутации, информация в которую записана на этапе определения маршрута;

добавление к ячейке информации о маршрутировании в коммутационной системе, которая называется заголовок быстрого пакета; таким образом, получают пакет быстрой коммутации, который поступает на один из входов коммутационной системы;

заголовок быстрого пакета самомаршрутизирует пакет быстрой коммутации через коммутационную систему и, следовательно, быстрый пакет поступает на требуемый исходящий виртуальный тракт и исходящий виртуальный канал (согласно таблице коммутации);

в выходном контроллере заголовок быстрого пакета изымается и, таким образом, быстрый пакет обратно преобразуется в ячейку.

Коммутаторы пакетной сети имеют буферное запоминающее устройство для временного хранения пакетов, это связано с необходимостью разнесения во времени быстрых пакетов, одновременно поступивших на различные входы и требующих передачу на один и тот же выход.

Таким образом, при использовании БКП время, затраченное на установление виртуального канала, компенсируется быстрой последующей передачей всего потока пакетов. Пакеты беспрепятственно проходят друг за другом по виртуальному каналу (в каждом узле их ждёт инструкция, которая обрабатывается управляющим компьютером) и в том же порядке попадают абоненту-получателю.

2. Адресация в Ш-ЦСИО с использованием АТМ

Схема адресации в широкополосных сетях с использованием технологии АТМ имеет ряд особенностей:

Схема адресации в АТМ не зависит от любых протоколов верхних уровней и принятых в них схем адресации. То есть не существует связи между адресом IP и адресом АТМ. Тем не менее, существует необходимость разрешения адресов IP в адреса АТМ и согласования работы протоколов верхних уровней в сети АТМ.

Формат адресов в частных сетях и сетях общего пользования различаются. Это позволяет телекоммуникационным компаниям гибко реализовывать внутреннюю адресацию и маршрутизацию.

Адресация АТМ иерархична.

Размер адреса выбран с большим запасом (20 байт).

В настоящее время используется четыре различных формата адресов. Три типа адресов для частных сетей: DCC AESA, ICD AESA и E.164 AESA. Для АТМ сетей общего пользования предоставляется выбор между форматом адреса Е.164(Е.164 и Е.164 AESA) и тремя типа адресов AESA представленными выше.

Адреса AESA представляются в шестнадцатеричной форме, длиной 20 байт. Адрес имеет иерархическую структуру и делится на два сегмента: IDP (Initial Domain Part) и DSP (Domain Specific Part), каждый из которых состоит из нескольких полей.

Сегмент IDP определяет тип адреса и тип уполномоченного, который отвечает за управление этим адресом. В этом сегменте есть два поля:

— AFI (Authority and Format Indicator)(1байт);

— IDI (Initial Domain Identifier)(2 байта);

Первое поле всегда имеет значение 39, а поле IDI содержит код идентифицирующий страну.

Сегмент DSP разделен на три поля:

— 10-байтовое поле HO-DSP (High Order Domain Specific Part-идентификация адресного пространства, выделенного определенной подсети);

— 6-байтное поле ESI (End System Identfier — идентификатор конечной системы);

— однобайтное поле SEL (Selector-селектор).

Формат адреса ICA AESA представлен на рисунке 2.2.

Формат адреса ICA AESA схож с форматом DCC, за исключением следующих моментов:

— поле AFI равно 47, а не 39;

— поле IDI содержит ICD (International Code Designation) — двухбайтовый идентификатор организации.

Формат адреса Е.164 существенно отличается от рассмотренных выше форматов.

Сегмент IDP в этом формате адреса разделяется на два поля: однобайтовое AEI и восьмибайтовое IDI. Первое содержит фиксированное значение 45, а второе-адрес формата Е.164. Значение поля AFI различно для разных форматов адресов (DCC AESA -39,ICD AESA-47, E.164 AESA-45).

Существование нескольких форматов адресов приводит к определенным трудностям при создании глобальных сетей. Существует две основных возможности: присвоение адресов и регистрация адресов. Адрес разделяется на префикс и пользовательскую часть. Можно присвоить один и тот же префикс нескольким портам коммутатора или назначить уникальный адрес каждому порту. При регистрации адресов необходимо учитывать три обстоятельства: подключаемое к сети АТМ оборудование должно поддерживать интерфейс ILMI для регистрации адресов; все подключаемое оборудование должно иметь уникальные пользовательскую часть адреса; такой метод хорошо работает при присвоении адресов оборудованию индивидуализации в Ш-ЦСИО.

3. Маршрутизация в Ш-ЦСИО

3.1 Маршрутизация Основные понятия

Для современного общества характерен быстрый рост объёма передаваемой информации. В связи с этим возникает проблема нахождения оптимального маршрута для передачи данных, то есть проблема маршрутизации. Управление процессами маршрутизации является важнейшей функцией сетевого уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС).

В общем случае, маршрут — это список узлов коммутации от узла-источника до узла-получателя. Маршрутизация — это набор процедур, позволяющих определить оптимальный маршрут по заданным параметрам на сети связи между парой узлов коммутации. Тогда можно сказать, что маршрутизатор — это устройство третьего уровня эталонной модели ЭМВОС, использующее одну и более метрик для определения оптимального маршрута передачи трафика на основе информации сетевого уровня.

В общем случае маршрутизация состоит из трёх этапов:

Формирование и коррекция плана распределения информации (ПРИ), то есть таблиц маршрутизации для каждого узла коммутации;

Формирование таблиц коммутации, обеспечивающих оптимальные для каждой службы маршруты доставки сообщений пользователей.

Передача информации пользователя.

Совокупность таблиц маршрутизации на сети называется планом распределения информации. Таблица маршрутизации представляет собой матрицу Мi, в которой число строк равно N-1, где N — число узлов коммутации сети (строка в матрице М_i для узла i не отводится), а число столбцов равно числу соседних с рассматриваемым узлом коммутации i узлов. Таблицы маршрутизации могут быть составлены по различным критериям: минимальное количество транзитных узлов, минимальная задержка при передаче пакетов, максимальная надёжность и так далее.

Все функции реализуются маршрутизатором с помощью специального программного обеспечения, обеспечивая пропускную способность около одного миллиона пакетов в секунду. Столь низкая пропускная способность возникает из-за задержек при обработке трафика.

Современные сети очень критичны ко всяким видам задержек и требуют применение новых маршрутизатиров с очень высокой производительностью. Одним из способов повышение производительности маршрутизаторов является использование высокоскоростных аппаратных маршрутизаторов. Одним из ограничений использования аппаратных маршрутизаторов является неполная поддержка протоколов сетевого уровня.

Функции маршрутизатора могут быть разбиты на три группы в соответствии с уровнями эталонной модели OSI: уровень интерфейсов, уровень сетевого протокола и уровень протокола маршрутизации. Функциональная модель маршрутизатора приведена на рисунке 3.1. На нижнем уровне маршрутизатор, как и любое устройство, подключённое к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, кодирование, оснащение определённым типом разъёма. В разных моделях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей.

Интерфейсы маршрутизатора выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде (если это необходимо), формирование битовых сигналов, приём кадра, подсчёт его контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню, в случае, если контрольная сумма имеет корректное значение. Кадры, которые поступают на порты маршрутизатора, после обработки протоколами физического и канального уровней, освобождаются от заголовков канального уровня. Извлечённые из поля данных кадра пакеты пересылаются модулю сетевого протокола.

Сетевой протокол, в свою очередь, извлекает из пакета заголовок сетевого уровня и анализирует содержимое его полей. Прежде всего проверяется контрольная сумма, и если пакет пришёл повреждённым, то он отбрасывается. Выполняется проверка, не превысило ли время, которое провёл пакет в сети (время жизни пакета), допустимой величины. Если превысило — то пакет также отбрасывается. На этом этапе вносятся корректировки в содержимое полей, например, наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма.

На сетевом уровне также выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора — фильтрация трафика. При использовании технологии ATM количество виртуальных каналов и виртуальных трактов огромно, что позволяет передачу сообщений сигнализации, пользователя и сообщений обмена информацией между маршрутизаторами производить по отдельно выделенным виртуальным каналам. Следовательно, в функции маршрутизатора входит просеивание входного потока ячеек (то есть выделение ячеек пользователя, сигнализации и управления).

К уровню сетевого протокола относится и другая функция маршрутизатора — определение маршрута пакета. Так как рассматривается сеть с технологией ATM, то прежде чем пакет будет передан через сеть устанавливается виртуальное соединение, смысл которого состоит в том, что маршрутизация пакетов между узлами сети на основании таблиц маршрутизации происходит только один раз — при создании виртуального соединения. В этом случае, протокол сетевого уровня по номеру сети, извлечённому из заголовка пакета, находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора, и номер порта, на который нужно передать данный пакет, чтобы он двигался в правильном направлении. После создания виртуального соединения передача пакетов происходит на основании идентификаторов виртуальных путей и каналов, присвоенных каждому соединению на этапе создания. Кроме того, при создании виртуального соединения каждый маршрутизатор автоматически настраивает так называемые таблицы коммутации портов — эти таблицы описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определённые значения идентификаторов. Таким образом, после прокладки виртуального соединения через сеть маршрутизаторы больше не используют для пакетов этого соединения таблицу маршрутизации, а продвигают пакет на основании таблицы коммутации, создание которой выполняют протоколы сетевого уровня. Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни её построением, ни поддержанием её содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анализируют полученные сведения.

3.2 Классификация методов маршрутизации

Спектр применяемых в настоящее время методов маршрутизации весьма широк. Степень сложности применяемых методов маршрутизации определяется размерами сети, характером входного потока, требованиям к вероятностно-временным характеристикам, передаваемой информации и функционирования сети. В сложных сетях почти всегда существуют несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у маршрутизаторов информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута (рисунок 3.2).