Лекція №4. Моделі мереж. Методи комутації в мережах

Функціональна модель являє собою абстрактний опис мережі на логічному рівні, що не залежить від принципів її фізичної реалізації. Така модель відображає взаємозв'язок виконуваних в мережі функцій, які в такому разі розглядаються як її елементи.

Функція являє собою певний логічний елемент, що виконує певну задачу. Фізична реалізація функцій припускає різні варіанти:

• у вигляді апаратних засобів;

• у вигляді програмного продукту.

Функції, реалізовані у вигляді програмних продуктів, прийнято на­зивати об'єктами. Саме ж поняття функції націлене на апаратну реалі­зацію, хоча, строго кажучи, обидва поняття є синонімами. Надалі буде­мо дотримуватися цього умовного розмежування.

При фізичній реалізації функцій в тій або іншій формі припускається їхнє групування у вигляді окремих функціональних підсистем. Такі підсистеми називаються логічними модулями.

Розрізнюють такі основні типи виконуваних в інформаційній мережі функцій:

• прикладні функції - об'єкти додатків користувачів і адміністрації мережі;

• функції керування послугами - об'єкти, що дозволяють будува­ти послуги з компонентів послуг і пов'язаних з ними ресурсів і керува­ти взаємодією користувачів з цими послугами;

функції адміністративного керування мережею - об'єкти, що здійснюють керування всіма іншими функціями;

• функції обробки і зберігання даних - об'єкти, що забезпечують виклик і керування об'єктами додатків, їхню взаємодію, а також вилу­чення запитуваних даних або введення їх у базу даних;

. комунікаційні функції - функції транспорту і керування потока­ми інформації (при їхньому перерозподілі в комунікаційних вузлах).

Порядок взаємодії між функціями мережі визначає зв'язки поміж еле­ментами у функціональній моделі. Повна специфікація (точний опис) такої взаємодії як між окремими функціями (об'єктами), так і між логіч­ними модулями, називається логічним інтерфейсом. Логічний інтер­фейс є містким поняттям, що охоплює як набір правил поведінки взаємодіючих елементів, так і формат подання обмінюваної інформації.

Логічний інтерфейс поміж об'єктами одного типу називається про­токолом, а поміж комунікаційними функціями - дістав назву еталон­ної точки телекомунікаційної мережі.

Введемо ще одне поняття, що визначає характер взаємодії прикладних об'єктів,- це поняття транзакціі. Транзакцією називають послідовність логічно пов'язаних дій, які переводять інформаційну систему з одного стану в інший. Такий перехід має місце, наприклад, при обробці запиту користувача на надання послуги і задоволення цього запиту з боку ме­режі. Транзакція або повинна завершитися цілком (успішне завершення), або, в разі неможливості виконання яких-небудь дій з технічних причин, має бути зупинена з поверненням системи в початковий стан (аварійне завершення). Обробка транзакцій належить до функцій обробки і збері­гання даних. Таким чином, логічні інтерфейси поміж прикладними об'єктами можна трактувати як протоколи транзакцій.

Утворення функціональних сегментів

Функції в сегменті зазвичай реалізуються спільно. Прикладом утво­рення логічних модулів у вигляді сегментів може слугувати принцип спільного розгляду транспортної функції та функції керування потока­ми при їхній локалізації в сегментах телекомунікаційної мережі (мо­дуль сегмента мережі доступу, модуль сегмента мережі NCN тощо) (рис. 5.15). У цьому розумінні будь-яку телекомунікаційну мережу, що розглядається як сукупність модулів транспортних функцій і функцій

Рис. 5.15. Приклад утворення модулів сегментів на функціональному рівні: І - інтерфейс (функціональна еталонна точка) NTU - мережне закінчення (термінатор)

керування потоками, часто називають транспортною мережею (ще од­не вживане трактування поняття транспортної мережі!).

Утворення домена користувача та мережного оператора

Домен являє собою сукупність функцій, об'єднаних роллю приналеж­ності. (Існує інше поняття домена, пов'язане з адресацією в Internet). При цьому враховувати їхню спільну дію за реалізації в апаратних засобах або програмних продуктах немає потреби. Прикладом може слугувати домен користувача (рис. 5.17), домен мережного оператора (рис. 5.18).

Рис. 5.17. Приклад утворення Рис. 5.18. Приклад утворення домена домена користувача мережного оператора

Конкретний склад функцій (об'єктів) домена називається конфігура­цією. Конфігурації доменів, як користувачів, так і мережних операторів, можуть бути різними і залежать від багатьох чинників, основним з яких є можливість мережі щодо надання різноманітних послуг і додатків.

Утворення платформи надання послуг на функційному рівні базує­ться на сполученні сегментів і доменів різних операторів зв'язку, участь яких передбачається при наданні конкретної послуги або набору послуг.

Аналіз програмної структури дозволяє розглянути ієрархію мереж- ного програмного забезпечення. Елементами цієї структури є програмні модулі, в яких реалізовано логічні елементи мережі.

Ієрархія програмного забезпечення (ПЗ) може бути подана в такому вигляді:

- прикладне ПЗ;

• проміжне ПЗ;

• базове ПЗ.

У прикладному ПЗ реалізовано об'єкти додатків. Розрізняють два типи додатків, що впливають на структуру організації ПЗ - це локально обмежені і розподільні додатки. Локально обмежений додаток інста­люється, викликається, керується і виконується повністю в межах одні­єї прикінцевої системи і не потребує залучення комунікаційних функ­цій. Прикладом може слугувати редагування документа при підготовці тексту на комп'ютері користувача (терміналі користувача). Розподіль­ний додаток складається з декількох компонентів, що можуть викону­ватися в різних прикінцевих системах і, отже, вимагають організації взаємодії цих прикінцевих систем. Наприклад, спільне редагування тек­сту публікації великого обсягу користувачами, розташованими в різних місцях. Компоненти розподільного додатку можуть неодноразово вико­ристовуватися іншими додатками. В такому разі вони стають об'єктами проміжного ПЗ і підтримують послуги, пов'язані з можливостями інте­лектуальних мереж.

Проміжне ПЗ реалізує в мережі функції керування послугами і функ­ції адміністративного управління мережею. Об'єкти обох груп анало­гічно до компонентів розподільних додатків взаємодіють за допомо­гою комунікаційних функцій. За допомогою проміжного ПЗ в мережі конкретизуються концепції інтелектуальних мереж та загальної схеми багаторівневого керування мережами TMN, які стали вже досить відо­мими.

Базове ПЗ призначене для забезпечення об'єктами прикладного ПЗ і проміжного ПЗ можливості виконання і взаємодії з іншими об'єктами за допомогою забезпечення середовища взаємодії з комунікаційними функ­ціями і логічними інтерфейсами користувачів. Організація середовища здійснюється уніфікованими програмними комплексами, які називають­ся мережними та міжмережними операційними системами. Стандар­тами де-факто на сьогоднішній день в цьому плані стали мережні систе­ми UNIX та Windows NT, а також міжмережні системи - IOS (Inter- working Operation System) фірми Cisco Systems та NOS (Networking Operation System) фірми Motorola. Логічні компоненти з реалізованих програмно-комунікаційних функцій, які забезпечують підтримку зв'язку поміж віддаленими об'єктами, також належать до функцій базового ПЗ. До базового ПЗ належать також об'єкти оброблення і зберігання даних, що реалізовані в таких програмних комплексах, як СКБД (системи керу­вання базами даних), базове ПЗ сервера оброблення транзакцій тощо.

Характер взаємодії між об'єктами визначається типом об'єктного ін­терфейсу, який подібний до протоколу та функціональної еталонної точки.

Розрізнюють такі типи об'єктних інтерфейсів (програмних інтерфейсів):

• прикладний протокол - логічний інтерфейс між прикладними об'єктами;

• інтерфейс прикладних програм - логічний інтерфейс між при­кладними об'єктами й об'єктами проміжного ПЗ, що підтримують при­кладні об'єкти;

• протокол проміжного ПЗ - логічний інтерфейс між об'єктами проміжного ПЗ;

• інтерфейс базових програм - логічний інтерфейс між об'єктами проміжного і базового ПЗ, що підтримують об'єкти проміжного ПЗ;

• інтерфейс людина-комп'ютер - логічний інтерфейс між корис­тувачем і, головним чином, об'єктами базового ПЗ, однак він може міс­тити в собі також логічний інтерфейс з об'єктами проміжного ПЗ і на­віть об'єктами додатків.

Мережне і міжмережне програмне забезпечення є ресурсом, що бере участь в організації платформ надання послуг і, отже, композиційні принципи об'єднання програмних модулів схильні до такого ж динамі­зму, що й принципи побудови функціональної моделі мережі.

Протокольна модель мережі

Протокольна модель описує правила роботи мережі на рівні взає­модії об'єктів і логічних модулів при реалізації основних процесів пе­редавання й оброблення інформації. В цій моделі всі правила (протоко­ли) взаємодії згруповано за їхнім функційним призначенням в окремі групи - протокольні блоки. Протокольні блоки розташовуються в ієрар­хічному порядку, і кожний з них представляє собою перелік протоколів взаємодії об'єктів певного рівня (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Принцип побудови протокольної моделі

При виконанні задачі N-рівня беруть участь N-об'єкти, що викону­ють локальний комплекс функцій даного рівня. Однак протокольні блоки розбиті за рівнями таким чином, що можливість виконання зада­чі N-рівня цілком залежить і забезпечується участю об'єктів (N-l)-гo

рівня і т. д. Таким чином N-об'єкти стають залученими у взаємодію з (N - 1)-об'єктами, (N - 1)-об'єкти — з (N - 2)-об'єктами і т. д. Кожний нижчестоящий рівень надає сервіс вищестоящим рівням.

Будь-який об'єкт N-рівня при переході в активний стан видає інфор­мацію двох видів:

• інформація, що передається поміж N-об'єктами (дані користува­ча) і не пов'язана з операціями «з'єднання» цих об'єктів;

• керуюча інформація, призначена для (]Ч-1)-рівня, за допомогою якої здійснюється координація процедур «з'єднання» N-об'єктів.

Усі правила взаємодії об'єктів у протокольній моделі визначають стан­дарти для конкретної мережі і класифікуються як протоколи (стандарти взаємодії об'єктів одного рівня з іншим) та інтерфейси (стандарти взаємодії об'єктів сусідніх рівнів). Ці поняття нам вже знайомі з попередніх моделей.

Міжнародна організація стандартів ISO, аналізуючи досвід створення інформаційних мереж, і особливо комп'ютерних мереж у багатьох краї­нах світу, розробила концепцію побудови мереж, яка названа архітекту­рою відкритих систем. Відповідно до цієї концепції було створено про­токольну модель, що дозволила ввести міжнародні стандарти, які визна­чають і регламентують розробки систем і мереж. Ця модель дістала назву еталонної моделі взаємодії відкритих систем (BBC). Системи і мережі, що задовольняють вимогам і стандартам еталонної моделі BBC, тобто стандартам архітектури відкритих систем, називають відкрити­ми, а системи, що не відповідають цим вимогам, вважаються закритими.

У моделі BBC визначено сім рівнів.

Найвищим, сьомим, рівнем моделі BBC, є прикладний рівень, н; якому здійснюється керування взаємодією прикладних процесів, щ< відбуваються в термінальних системах користувачів і прикінцевих сис темах мережі, з якими вони взаємодіють. Відповідно протокол взаємо дії об'єктів сьомого рівня дістав назву прикладного.

На шостому рівні, представницькому, провадиться перекодуванні повідомлень, що надійшли з сьомого рівня, у той вигляд, в якому маюті бути подані будь-які повідомлення, що передаються в даній мережі Таким чином, мережа не накладає ніяких обмежень на застосування рі зноманітних типів ЕОМ як прикінцевих систем. Тут же можуть викону ватися функції стиснення даних, їхнє шифрування (засекречування).

П'ятий рівень моделі BBC - сеансовий, призначений для відкритт: сеансу зв'язку поміж віддаленими процесами користувачів. Відкритт: сеансу зв'язку супроводжується привласненням умовних адрес - номе рів точок входу-виходу інформації, так названих портів взаємодіючи; прикінцевих систем. З моменту зайняття портів повідомленню привла снюються номери вихідного і вхідного портів.

Четвертий (транспортний) рівень відповідає за спосіб транспор тування повідомлення мережею. Для мереж ЕОМ характерним є роз ділення повідомлення на невеликі блоки, які забезпечуються заголов ками, що містять адресну і службову інформацію, і у вигляді таки; пакетів передаються по мережі. Тут же здійснюється контроль правиль ності переданих пакетів у кожному ВК і в разі виявлення помилок, вжи ваються ті чи інші заходи (наприклад, запит на повторне передаванню пакета).

Третій рівень забезпечує вибір маршруту, яким будуть проходиті пакети повідомлення. При цьому можуть встановлюватися логічн з'єднання типу «точка - точка» і «точка - багато точок».

Канальний рівень забезпечує встановлення та усунення логічнш з'єднань, синхронізацію, фізичну адресацію, захист від помилок, управ ління потоком даних тощо.

На першому, фізичному рівні визначається поведінка сусідні) об'єктів при побітовому передаванні пакетів та інтерфейс поміж термі налом і передавальним середовищем.

Протоколи сьомого - четвертого рівнів визначають правила взаємо дії поміж віддаленими об'єктами (тобто з кінця в кінець), а протоколі третього - першого рівнів - правила взаємодії сусідніх об'єктів мереж (наприклад, ВК-ВК), з'єднаних фізичною лінією.

На відміну від еталонної моделі BBC протокольні моделі конкретний мереж допускають введення додаткових підрівнів, а також можуті включати не всі рівні. Проте їхня побудова базується на тих самю принципах.

Комутацією називають процес встановлення з'єднання між певни­ми входом і виходом системи, підтримання його на час передавання інформації користувача та наступного роз 'єднання. Комутація є цифро­вою, якщо цей процес здійснюється за допомогою операцій з цифрови­ми сигналами, що несуть інформацію користувача, без їх перетворення в аналогову форму. Розрізнюють два основні види цифрової комутації: комутацію каналів і комутацію повідомлень. Якщо повідомлення ко­ристувача комутується сегментами однакової довжини, то має місце комутація пакетів.

У разі цифрової комутації каналів (channel switching) спочатку ство­рюється наскрізне з'єднання між входом і виходом системи, а потім цим з'єднанням у реальному масштабі часу здійснюється обмін інфор­мацією користувачів. Операції з цифровими сигналами, що переносять цю інформацію, полягають у записуванні та зчитуванні, тому фізично­го з'єднання входу з виходом не існує. Надлишкове навантаження від викликів, що надходять при зайнятості всіх шляхів з'єднання, як пра­вило, втрачається. Обмін у реальному часі визначає основну область застосування комутації каналів - передачу мови. Недоліком систем з цим видом комутації є відносно низьке використання каналів.

Комутація повідомлень (message switching) принципово відрізняється від комутації каналів тим, що здійснюється не в реальному часі, не по­требує наскрізного з'єднання між входом і виходом системи, а надлиш­кові повідомлення не втрачаються, а запам'ятовуються і передаються з затримкою. Відповідно у системі утворюються так звані віртуальні з 'єд­нання, можуть бути значними використання каналів та тривалість доста­вки повідомлень. Останнє робить її, як правило, малопридатною для мов­ного обміну.

Комутація пакетів (packet switching) відрізняється від комутації пові­домлень тим, що всі передавані повідомлення розділяються на пакети (частини, сегменти) однакової довжини і кожний пакет передається не­залежно, як тільки звільняється відповідний канал зв'язку. На приймаль­ному боці необхідно відновити повідомлення, скомпонувавши його з пакетів, прийнятих у різні моменти часу і, можливо, різними каналами зв'язку. Комутації пакетів властивий асинхронний спосіб передавання і так звана комутація на вимогу (switching on demand), тобто надання каналу лише за потреби передавання пакета. У варіанті швидкої комута­ції пакетів FPS (Fast Packet Switching) даний вид комутації придатний для передачі будь-яких повідомлень зокрема мовних, у реальному часі.

На мережах електрозв'язку комутацію здійснюють комутаційні стан­ції і вузли, які можуть бути як автономними позасистемними, так і утвореними на обладнанні цифрової системи комутації (ЦСК). Сучасні мережі розвиваються майже виключно на ЦСК.

Під цифровою системою комутації (ЦСК) розуміють єдиний тери­торіально розподілений комплекс апаратно-програмних засобів, що складається з основного опорного обладнання (ОпО), яке виконує функ­ції комутації та керування і централізує функції технічної експлуата­ції і обслуговування системи, та з виносних комутаційних (ВКМ) і або­нентських модулів (ВАМ), з'єднаних з ОпО і, можливо, один з одним цифровими внутрішньосистемними з'єднувальними лініями (ЗЛ). Під ВКМ розуміють автономну частину обладнання ЦСК, здатну незалеж­но функціонувати на мережі в якості окремої станції і лише в процеду­рах технічної експлуатації керовану від ОпО, а під ВАМ - винесену від ОпО чи ВКМ частину обладнання системи, яка є повністю керованою від ОпО чи ВКМ і забезпечує підімкнення абонентських ліній (це може бути абонентський концентратор, абонентський мультиплексор або інше ведене з керування абонентське обладнання). Внутрішньосистемні ЗЛ можуть мати специфічні для ЦСК лінійні стики і протоколи сигнально­го обміну^[1].

У разі комутації каналів основні системні ресурси ЦСК витрачають­ся на встановлення і лише незначна їх частина - на підтримання з'єднань. Комутації повідомлень і пакетів властиве зворотне співвід­ношення. ЦСК з комутацією каналів є синхронними, з комутацією па­кетів - асинхронними з адресно-кодовою комутацією. Сучасні ЦСК, пристосовані до надання послуг цифрової мережі з інтеграцією служб ISDN (Integrated Services Digital Network), поєднують ці риси, тобто за­безпечують:

• встановлення наскрізних з'єднань шляхом комутації каналів;

• встановлення віртуальних з'єднань шляхом комутації пакетів;

• наявність спеціальних пристроїв для обробки та зберігання інфор­мації;

• підімкнення цифрових кінцевих абонентських пристроїв для обмі­ну мовною та іншими видами інформації, зокрема пакетними даними;

• міжстанційну сигналізацію спільним каналом сигналізації СКС № 7 (Common Signalling Channel - CSC) за допомогою так званих сигналь­них одиниць (SU - Signal Unit), які є пакетами змінної довжини.

Основою ЦСК звичайно залишаються синхронні вузькосмугові ци­фрові комутаційні поля (ЦКП - digital switching network), які однаково

комутують і канали, і повідомлення, і пакети. Сучасні ЦСК мають до­даткові до синхронного ЦКП широкосмугові блоки пакетної комутації, побудовані за іншими принципами.

У синхронні ЦКП вмикаються чотирипроводові цифрові ущільнені лінії (ЦЛ) - групові тракти з часовим розділенням каналів (ЧсРК - time division). Кожна ЦЛ має двопроводові тракти: передавання, який вми­кається на вхід (вхідна ЦЛ), та приймання, що вмикається на вихід ЦКП (вихідна ЦЛ). Комутація полягає у встановленні, підтриманні та подальшому роз'єднанні у ЦКП з'єднання часових каналів вхідних і вихідних ЦЛ. Кожне інтерактивне (діалогове) з'єднання потребує чо- тирипроводової комутації.

У ЦСК різних типів ЦКП можуть комутувати цифрові потоки з різ­ними швидкостями і структурами циклу передачі та способами модуля­ції. Найбільш поширеним варіантом є ЦКП, розраховані на стандартні первинні 32-канальні групові тракти ІКМ зі швидкістю 2048 кбіт/с і 8-розрядними кодовими словами, що належать до так званої плезіохрон- ної цифрової ієрархії PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)^[2]. У деяких ЦСК комутуються 32-канальні тракти, отримувані зі стандартних первинних додаванням до кожного кодового слова додаткових восьми службових бітів, що подвоює швидкість передавання (до 4096 кбіт/с)^[3]. Обладнан­ня, що комутує тракти синхронної цифрової ієрархії СЦІ^[4] (SDH - Synchronous Digital Hierarchy), поки що застосовується переважно на пер­винній мережі для її модернізації і перетворення у сучасну транспорт­ну мережу (transport network), здатну транспортувати^[5] і автоматично перерозподіляти будь-які цифрові інформаційні потоки, незалежно від їх швидкості і структури. Деякі сучасні ЦСК теж здатні комутувати тракти першого рівня СЦІ (155,22 Мбіт/с) і, відповідно, надавати послуги ши­рокосмугової B-ISDN (Broadband ISDN). Для цього використовується окреме комутаційне поле, побудоване на принципах швидкої комутації пакетів та асинхронного способу перенесення інформації (FPS & ATM). Існують також ЦСК, що комутують канали трактів з дельта-модуляцією.

Синхронні ЦКП завжди мають модульну побудову. У межах однієї мінімальної конструктивної одиниці нарощення ємності ЦКП (блока, модуля) комутація може здійснюватися одним з наступних способів:

- якщо кодове слово одного канального інтервалу (КІ) певної ЦЛ

завжди переноситься в інший КІ цієї ж ЦЛ, то комутація називається часовою',

• якщо кодове слово одного канального інтервалу певної ЦЛ завжди переноситься в однойменний КІ іншої ЦЛ, то комутація називається просторовою',

- якщо кодове слово одного канального інтервалу певної ЦЛ може переноситися у різні КІ у різних ЦЛ, то комутація є просторово- часовою.

Комутаційні блоки однакового типу об'єднуються у каскади чи сту­пені пошуку. Відповідно до способу комутації розрізнюють каскади (ступені) наступного типу: Ч (часової), П (просторової) та Ч_п (просто- рово-засоЕОІ-КОМухації). Сукупність каскадів (ступенів) пошуку утво­рює комутаційне поле. Як правило, ЦКП дублюється і складається з двох однакових сукупностей каскадів (ступенів) - так званих площин ЦКП. Звичайно обидві площини працюють паралельно і виконують однакові дії, але для реального перенесення інформації вибирається одна з них, яка вважається активною (друга - пасивною). Така органі­зація роботи ЦКП запобігає втратам з'єднань у разі їх перемикання на іншу площину. Можлива також робота обох площин у режимі розподі­лу навантаження.

Тема 1.2 Технологія цифрових мереж

Поиск по сайту: