Frame relay
Frame Relay первоначально разрабатывался как протокол для использования в интерфейсах ISDN. Исходные предложения, представленные в CCITT в 1984 г., преследовали эту цель. Была также предпринята работа над Frame Relay в аккредитованном ANSI комитете по стандартам T1S1 в США.
В 1990 году Cisco Systems, StrataCom, Northern Telecom и Digital Equipment Corporation образовали консорциум, чтобы сосредоточить усилия на разработке технологии Frame Relay и ускорить появление изделий Frame Relay, обеспечивающих взаимодействие сетей. Консорциум разработал спецификацию, отвечающую требованиям базового протокола Frame Relay, рассмотренного в T1S1 и CCITT. Однако он расширил ее, включив характеристики, обеспечивающие дополнительные возможности для комплексных окружений межсетевого объединения. Эти дополнения к Frame Relay называются обобщенно - local management interface.
Frame Relay обеспечивает возможность передачи данных с коммутацией пакетов через интерфейс между устройствами пользователя: маршрутизаторами, мостами, главными вычислительными машинами и оборудованием сети - переключающими узлами. Устройства пользователя часто называют терминальным оборудованием (DTE), в то время как сетевое оборудование, которое обеспечивает согласование с DTE, часто называют устройством завершения работы информационной цепи (DCE). Сеть, обеспечивающая интерфейс Frame Relay, может быть либо общедоступная сеть передачи данных и использованием несущей, либо сеть с оборудованием, находящимся в частном владении, которая обслуживает отдельное предприятие.
В роли сетевого интерфейса, Frame Relay является таким же типом протокола, что и Х.25. Однако Frame Relay значительно отличается от Х.25 по своим функциональным возможностям и по формату. В частности, Frame Relay является протоколом для линии с большим потоком информации, обеспечивая более высокую производительность и эффективность.
|
|
В роли интерфейса между оборудованием пользователя и сети, Frame Relay обеспечивает средства для мультиплексирования большого числа логических информационных диалогов (называемых виртуальными цепями) через один физический канал передачи, которое выполняется с помощью статистики. Это отличает его от систем, использующих только технику временного мультиплексирования (TDM) для поддержания множества информационных потоков. Статистическое мультиплексирование Frame Relay обеспечивает более гибкое и эффективное использование доступной полосы пропускания. Оно может использоваться без применения техники TDM или как дополнительное средство для каналов, уже снабженных системами TDM.
Другой важной характеристикой Frame Relay является то, что она использует новейшие достижения технологии передачи глобальных сетей. Более ранние протоколы WAN, такие как Х.25, были разработаны в то время, когда преобладали аналоговые системы передачи данных и медные носители. Эти каналы передачи данных значительно менее надежны, чем доступные сегодня каналы с волоконно-оптическим носителем и цифровой передачей данных. В таких каналах передачи данных протоколы канального уровня могут предшествовать требующим значительных временных затрат алгоритмам исправления ошибок, оставляя это для выполнения на более высоких уровнях протокола. Следовательно, возможны большие производительность и эффективность без ущерба для целостности информации. Именно эта цель преследовалась при разработке Frame Relay. Он включает в себя алгоритм проверки при помощи циклического избыточного кода (CRC) для обнаружения испорченных битов, но в нем отсутствуют какие-либо механизмы для корректирования испорченных данных средствами протокола.
|
|
Другим различием между Frame Relay и Х.25 является отсутствие явно выраженного управления потоком для каждой виртуальной цепи. В настоящее время, когда большинство протоколов высших уровней эффективно выполняют свои собственные алгоритмы управления потоком, необходимость в этой функциональной возможности на канальном уровне уменьшилась. Таким образом, Frame Relay не включает явно выраженных процедур управления потоком, которые являются избыточными для этих процедур в высших уровнях. Вместо этого предусмотрены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, позволяющие сети информировать какое-либо устройство пользователя о том, что ресурсы сети находятся близко к состоянию перегрузки. Такое уведомление может предупредить протоколы высших уровней о том, что может понадобиться управление потоком.
Стандарты Current Frame Relay адресованы перманентным виртуальным цепям (PVC), определение конфигурации которых и управление осуществляется административным путем в сети Frame Relay. Был также предложен и другой тип виртуальных цепей - коммутируемые виртуальные цепи (SVC). Протокол ISDN предложен в качестве средства сообщения между DTE и DCE для динамичной организации, завершения и управления цепями SVC.
Frame Relay может быть использована в качестве интерфейса к услугам либо общедоступной сети со своей несущей, либо сети с оборудованием, находящимся в частном владении. Обычным способом реализации частной сети является дополнение традиционных мультиплексоров Т1 интерфейсами Frame Relay для информационных устройств, а также интерфейсами (не являющимися специализированными интерфейсами Frame Relay) для других прикладных задач, таких как передача голоса и проведение видео-телеконференций.
|
|
Формат кадра:
| 2-4 | 1-1600 | |||
| flag | address | DATA | FCS | flag |
Рис 2.
Каждый кадр начинается и замыкается «флагом» - последовательностью «01111110». Для предотвращения случайной имитации последовательности «флаг» внутри кадра при его передаче проверяется всё его содержание между двумя флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит «1», вставляется бит «0». Эта процедура обязательна при формировании любого кадра Frame relay, при приёме эти биты «0» отбрасываются.
FCS (Frame Check Sequence) - проверочная последовательность кадра. Служит для обнаружения ошибок и формируется аналогично циклическому коду HDLC.
Поле данных имеет минимальную длину в 1 байт, максимальную по стандарту Frame Relay Forum — 1600 байтов, однако в реализациях некоторых производителей Frame relay - оборудования допускается превышение максимального размера (до 4096 байтов).
Поле Адрес кадра Frame Relay, кроме собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала (рис. 3).
| DLCI | C/R | EA | DLCI | FECN | BECN | DE | EA |
Рис. 3
DLCI - (Data Link Connection Identifier) идентификатор виртуального канала (PVC), мультиплексируемого в физический канал. DLCI имеют только локальное значение и не обеспечивают внутрисетевой адресации.
C/R - (Command/Response) признак «команда-ответ».
E/A - (Address Field Extension Bit) бит расширения адреса. DLCI содержится в 10 битах, входящих в два байта заголовка, однако возможно расширение заголовка на целое число дополнительных байтов с целью указания адреса, состоящего более чем из 10 бит. E/A устанавливается в конце каждого байта заголовка. Если он имеет значение «1», то это означает, что данный байт в заголовке последний.
FECN - (Forward Explicit Congestion Notification) извещение о перегрузке канала в прямом направлении.
BECN - (Backward Explicit Congestion Notification) извещение о перегрузке канала в обратном направлении.
DE - (Discard Eligibility Indicator) индикатор разрешения сброса кадра при перегрузке канала. Выставляется в «1» для данных, подлежащих передаче в негарантированной полосе (EIR) и указывает на то, что данный кадр может быть уничтожен в первую очередь.
HDLC
HDLC (High-Level Data Link Control) - протокол канального уровня, разработанный организацией ISO. Он реализует механизм управления потоком посредством передающих и принимающих окон и имеет необязательные возможности, поддерживающие полудуплексную и полнодуплексную передачу, одноточечную и многоточечную конфигурации.
Окно устанавливается на каждом конце канала связи, чтобы обеспечить резервирование ресурсов обеих станций. Этими ресурсами могут быть ресурсы вычислителя или пространство буфера. В большинстве случаев окно обеспечивает и буферное пространство, и правила нумерации. Окно устанавливается во время инициирования сеанса связи между станциями. Если станция А и станция В должны обменяться данными, А резервирует окно для В, а В резервирует окно для А. Использование окон необходимо для полнодуплексных протоколов, потому что они подразумевают непрерывный поток кадров в принимающий узел без периодических подтверждений с остановкой и ожиданием.
Окна в принимающем и передающем узлах управляются переменными состояния, которые представляют по сути состояние счетчика. Передающий узел поддерживает переменную состояния посылки V(S). Это порядковый номер следующего по очереди I-кадра, который должен быть передан. Принимающий узел поддерживает переменную состояния приема V(R), которая содержит номер, который, как ожидается, является порядковым номером следующего I-кадра. V(S) увеличивается на 1 при передаче каждого кадра и помещается в поле порядкового номера посылки кадра. Получив кадр, принимающий узел производит проверку наличия ошибок передачи и сравнивает порядковый номер со своим V(R). Если кадр может быть принят, узел увеличивает V(R) на 1, помещает его в поле порядкового номера приема кадра подтверждения АСК и посылает этот кадр в узел-отправитель, завершая квитирование передачи.
Если V(R) не равен порядковому номеру посылки в кадре или обнаружена ошибка, значит, что-то произошло, и после тайм-аута в узел-отправитель посылается NAK с порядковым номером приема, содержащим значение V(R). В большинстве протоколов этот NAK называется Неприем (REJ) или Выборочный неприем (SREJ). Значение V(R) уведомляет передающее устройство ООД о том, что ожидается посылка нового кадра. Так как передатчик восстанавливает старое значение V(S) и повторяет передачу кадра, порядковый номер которого совпадает со значением V(S).
Во многих системах для V(S) и V(R) у порядковых номеров в кадре используются числа 0 - 7. Если переменные состояния в результате последовательного увеличения достигли 7, то, начиная с 0, эти числа снова используются. Вследствие повторного использования чисел устройствам, станциям не разрешено посылать кадр с порядковым номером, который не был подтвержден. Например, протокол должен дождаться подтверждения кадра с номером 6, прежде чем он опять использует V(S)=6.
Использование номеров 0-7 позволяет семи кадрам быть в активном состоянии, прежде, чем "закроется" окно. Несмотря на то что диапазон 0-7 дает восемь порядковых номеров, V(R) содержит значение следующего ожидаемого кадра, что ограничивает число активных кадров до 7.
Структура кадра HDLC:
| 8-16 | 0 – кратно 8 | ||||
| FD | address | control | INFO | FCS | FD |
Рис 4.
HDLC является кодопрозрачным протоколом. Он не зависит от конкретного кода при выполнении функции управления каналом. Восьмибитовая комбинация флага помещается в начале и в конце кадра, чтобы дать возможность приемнику распознать начало и конец кадра. Возможны случаи, когда прикладной процесс помещает в данных пользователя восьмибитовую последовательность, совпадающую с флагом. В этом случае передающая станция в поток выходных данных помещает 0 после 5 подряд идущих единиц, встретившихся в любом месте между начальным и конечным флагами кадра. Такая вставка производится в адресное, управляющее, информационное поля и поле CRC. Этот метод называется вставкой битов. Такую же функцию выполняет знак DLE в протоколе BSC. После того как завершается вставка битов в кадр и по концам кадра помещаются флаги, кадр передается приемнику по каналу. Благодаря этим флагам в HDLC-кадре отсутствует поле длины кадра. Иногда флаг конца одного кадра может быть начальным флагом следующего кадра.
Адрес выполняет свою обычную функцию идентификации одного из нескольких возможных устройств только в конфигурациях точка-многоточка. В двухточечной конфигурации адрес HDLC используется для обозначения направления передачи — из сети к устройству пользователя или наоборот.
Управляющее поле занимает 1 или 2 байта. Его структура зависит от типа передаваемого кадра. Тип кадра определяется первыми битами управляющего поля:
- 0 — информационный;
- 10 — управляющий 1;
- 1 — ненумерованный;
В структуру управляющего поля кадров всех типов входит бит P/F, он по-разному используется в кадрах-командах и кадрах-ответах. Например, станция-приёмник при получении от станции-передатчика кадра-команды с установленным битом P немедленно должна ответить управляющим кадром-ответом, установив бит F.
Информационное поле предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней — сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях — прикладных протоколов, когда те выкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Информационное поле может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.
Поле FCS (Frame Check Sequence) - контрольная последовательность, необходимая для обнаружения ошибок передачи. Её вычисление в основном производится методом циклического кодирования с производящим полиномом в соответствии с рекомендацией CCITT V.41. Полученная CRC побитово инвертируется и записывается в обратной последовательности. Это позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок длиной до 16 бит, вызываемые одиночной ошибкой, а также 99,9984 % всевозможных более длинных кортежей ошибок. FCS составляется по полям Адрес, Управляющее поле, Информационное поле. В редких случаях используются другие методы циклического кодирования. После просчёта FCS на стороне приёмника он отвечает положительной или отрицательной квитанцией. Повтор кадра передающей стороной выполняется по приходу отрицательной квитанции или по истечении тайм-аута.
ATM
Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х двумя учёными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.
ATM (asynchronous transfer mode) – сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования пакетов, которые представляют собой ячейки фиксированного размера в 53 байта, где первые 5 байт используются под заголовок. Является широкополосной версией ISDN, работает на скорости 150,52 Мбит/с с пакетом постоянной длины и минимальным заголовком. Слово асинхронный в названии означает, что тактовые генераторы передатчика и приемника не синхронизованы, а сами ячейки передаются и мультиплексируются по запросам.
Виртуальный канал в ATM формируется также, как и в ISDN. Формально эта процедура не является частью ATM-протокола. Сначала здесь формируется сигнальная схема, для этого посылается запрос с VPI=0 и VCI=5. Если процедура завершилась успешно, можно начинать формирование виртуального канала. При создании канала могут использоваться 6 разновидностей сообщений:
- setup - запрос формирования канала;
- call proceeding - запрос в процессе исполнения;
- connect - запрос принят;
- connect ACK - подтверждение получения запроса;
- release - сообщение о завершении;
- release compleate - подтверждение получения сообщения release;
В ATM предусмотрено несколько категорий услуг (таблица 1).
Таблица 1 - Типы категорий ATM-услуг.
| Класс | Описание | Пример |
| cbr | Постоянная скорость передачи | Канал Т1 |
| rt-vbr | Переменная скорость передачи (реальное время) | Видеоконференции |
| nrt-vbr | Переменная скорость передачи (нереальное время) | Мультимедиа по электронной почте |
| abr | Доступная скорость передачи | Просмотр web-информации |
| ubr | Не специфицированная скорость передачи | Пересылка файлов в фоновом режиме |
CBR не предусматривает контроля ошибок, управления трафиком или какой-либо другой обработки. Класс CBR пригоден для работы с мультимедиа реального времени.
Класс VBR содержит в себе два подкласса - обычный и для реального времени. ATM в процессе доставки не вносит никакого разброса ячеек по времени. Случаи потери ячеек игнорируются.
Класс ABR предназначен для работы в условиях мгновенных вариаций трафика. Система гарантирует некоторую пропускную способность, но в течение короткого времени может выдержать и большую нагрузку. Этот класс предусматривает наличие обратной связи между приемником и отправителем, которая позволяет понизить загрузку канала, если это необходимо.
Класс UBR хорошо пригоден для посылки IP-пакетов.
ATM использует исключительно модель с установлением соединения. Это создает определенные трудности для управления трафиком с целью обеспечения требуемого качества обслуживания. Для решения этой задачи используется алгоритм GCRA.
ATM широко использовался в глобальных компьютерных сетях, в оборудовании для передачи аудио/видео потоков, как промежуточный слой между физическим и вышележащим уровнем в устройствах ADSL для каналов с пропускной способностью не более 2 Мбит/с. Но в конце десятилетия ATM начинает вытесняться новой технологией IP-VPN. Свитчи ATM стали вытесняться маршрутизаторами IP/MPLS. В 2006 Broadband Forum выпустил спецификацию TR-101 под названием «Migration to Ethernet-Based DSL Aggregation», которая указывала как построенные на ATM агрегирующие сети могут мигрировать на построенные на Ethernet агрегирующие сети, в контексте предыдущих архитектур TR-25 и TR-59[. В качестве обоснования такого перехода в спецификации сказано, что существующие DSL-архитектуры эволюционируют от сетей «низкая скорость, максимальные усилия» к инфраструктурам, способным поддерживать более высокую скорость передачи и сервисы, требующие QoS, мультикаст, а также выполнять требования, которые недопустимо выполнять в системах, построенных на ATM. По докладу Broadband Forum за октябрь 2010 года, переход на глобальном рынке от сетей с коммутацией каналов к IP-сетям уже начался в стационарных сетях и уже затрагивает и мобильные сети. В докладе сказано, что Ethernet позволяет мобильным операторам удовлетворить растущие потребности в мобильном трафике более экономически эффективно, чем системы, основанные на TDM или ATM.
XDSL
xDSL (Digital Subscriber Line) – технологии, позволяющие осуществлять передачу данных по телефонным линиям. В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии. Доступная полоса пропускания канала распределена между исходящим и входящим трафиком асимметрично. Так как у большинства пользователей объем входящего трафика значительно превышает объем исходящего, то скорость исходящего трафика значительно ниже. При использовании данных технологий скорость передачи данных может достигать 50 Мбит/с. Технологии DSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN.
xDSL использует значительно более широкую полосу частот медной телефонной линии, чем телефонная сеть общего пользования. Используя полосу более высоких частот, чем частоты, используемые для обычной телефонной связи (300 Гц — 3400 Гц), xDSL позволяет достичь высокой скорости передачи данных. Для использования полосы более высоких частот, чем спектр речевого сигнала, оборудование xDSL должно быть установлено на обоих концах линии, а сама физическая линия должна обеспечивать возможность передачи сигнала в необходимой полосе частот. Это означает обязательное удаление с линии таких ограничивающих полосу пропускания устройств, как пупиновские катушки, а также ограничение числа и протяжённости параллельных отводов от абонентской линии.
SHDSL – одна из xDSL-технологий, обеспечивающая симметричную дуплексную передачу данных по паре медных проводников.
Работа над стандартом SHDSL началась в 1998 году, в 2001 году стандарт был утвержден. При работе над ним была поставлена и успешна решена задача снижения взаимного влияния соседних медных пар на скоростях передачи свыше 784 кбит/с.
За счет узкой полосы частот и особой спектральной плотности сигнала фактически полностью устраняется взаимное влияние с широко распространённым ADSL.
Для увеличения широты применения технологии SHDSL предусмотрена возможность задания скорости передачи данных от 192 кбит/с до 2320 кбит/с с шагом 8 кбит/с. Это позволяет операторам выстраивать гибкие тарифные планы. Более того, уменьшение скорости передачи позволяет увеличить дальность, на которую будут передаваться данные.
Например, на максимальной скорости передачи, рабочая дальность составляет около 3,5 км на проводе 0,4 мм, минимальная скорость передачи позволяет передавать данные до 6 км на том же 0,4 мм кабеле.
Технология SHDSL позволяет объединять для передачи данных от двух до 4 пар, соответственно увеличивая дальность или скорость передачи от двух до четырех раз.
Еще одна задача, которая успешно решена в SHDSL - снижение энергопотребления. Поскольку для дистанционного питания используется одна пара, важность этой задачи трудно переоценить. Еще одна положительная сторона - снижение рассеиваемой мощности - открывает путь к созданию высоко интегрированного станционного оборудования.
По стандарту технология SHDSL обеспечивает передачу данных со скоростями от 192 Кбит/с до 2.3 Mбит/c (с шагом в 8 Кбит/с) по одной паре проводов, соответственно от 384 кбит/с до 4,6 Мбит/с по двум парам. При использовании методов кодирования TC-PAM128 стало возможным повысить скорость передачи до 15,2 Мбит/сек по одной паре и до 30,4 Мбит/сек по двум парам соответственно.
ADSL - асимметричная цифровая абонентская линия представляет собой высокоскоростную коммуникационную технологию, разработанную для использования на абонентских линиях ТФОП. Асимметричная цифровая абонентская линия является наиболее популярной технологией xDSL. Основной отличительной особенностью ADSL является то, что скорость передачи к пользователю и скорость передачи от пользователя не одинаковы, именно поэтому данная цифровая абонентская линия и является асимметричной. При этом скорость передачи к пользователю значительно превышает скорость передачи от пользователя. Такой режим работы ADSL учитывает главную особенность сети Интернет, в соответствии с которой информационный поток от сети к пользователю, содержащий программы, графику, звук и видео, существенно превышает информационный поток от пользователя к сети, который обычно формируется нажатием клавиши клавиатуры или щелчком мыши. Скорость передачи данных к пользователю обычно составляет от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с. Скорость передачи данных от пользователя обычно составляет от 64 Кбит/с до 1,5 Мбит/с.
Так как ADSL была разработана для использования индивидуальными пользователями или в небольших офисах, она, наряду с организацией высокоскоростной передачи, сохраняет аналоговую телефонную связь по данной абонентской линии. Это исключает необходимость прокладывания дополнительной телефонной линии до пользователя.
При работе ADSL полоса пропускания телефонной линии разделяется на два частотных диапазона. Полоса частот ниже 4 кГц используется для обычной телефонной связи, а вся доступная полоса частот выше указанной используется для передачи данных. Это позволяет использовать телефонную линию одновременно и для телефонных разговоров и для передачи данных. Такая цифровая абонентская линия называется асимметричной, потому что для приема данных выделяется более широкая полоса частот, чем для их передачи. Скорость передачи данных по направлению к пользователю составляет от 256 Кбит/с до 8,192 Мбит/с, а скорость передачи данных по направлению от пользователя составляет от 16 до 768 Кбит/с. Такая асимметричная линия очень удобна, потому что большинство пользователей сети Интернет получают из сети значительно больший объем данных, чем сами передают в сеть.
Однако, ADSL - это технология, чувствительная к расстоянию. Если длина соединения увеличивается, то качество сигнала ухудшается, а скорость уменьшается. Ограничение на предоставление ADSL составляет 5460 метров, поэтому для улучшения скорости и качества обслуживания многие ADSL провайдеры указывают лимит на расстояние поменьше. На предельных дистанциях пользователи ADSL могут заметить, что скорость значительно ниже обещанного максимума, в то же время клиенты ближе к центральному офису имеют соединение быстрее и в будущем смогут отметить экстремально высокую скорость.
Факторы, которые мешают применять ADSL:
a) Ответвления. Это - надставки между клиентом и центральным офисом, которые расширяют обслуживание других пользователей. Эти ответвления незаметны замечаете при нормальном использовании телефона, но они могут создать общую длину, превышающую пределы расстояния обслуживания провайдера.
b) Оптико-волоконные кабели. Сигнал ADSL не может проходить через аналогово-цифровой и обратный переходы, который происходит, если часть вашей телефонной цепи состоит из оптико-волоконных кабелей.
c) Расстояние.
Заключение
Технологии передачи данных, применяемые на СПБ ИВЦ, соответствуют современным стандартам. Это обеспечивается благодаря своевременному внедрению новых современных технологий, замене устаревшего оборудования.
Список литературы.
1. https://raildata.ru/ - официальный сайт СПБ ИВЦ
2. Яковлев В.В., Кушназаров Ф. И. Производительность протоколов канального уровня: методические указания. – СПб.: Петербургский гос. Ун-т путей сообщения, 2016. – 19 с
3. https://www.infocity.kiev.ua/inet/content/inet141.phtml - электронная библиотек
4. Семенов Ю.А. Телекоммуникационные технологии: учебное пособие - ГНЦ ИТЭФ, 2009. – 600 с.
5. https://www.xdsl.ru/faq-php/#1 – статьи по xDSL.