KM-905 |
11 ТЕХНОЛОГІЇ МЕРЕЖ З КОМУТАЦІЄЮ ПАКЕТІВ
11.1 Технологія X.25
Глобальні мережі X.25 засновані на комутації пакетів. Структурно мережа X.25 (рисунок 11.1) складається з апаратури передачі даних (АПД, DTE, Data Terminal Equipment) – термінали, комп'ютери і т. д., апаратури закінчення каналу даних (АЗКД, DCE, Data Circuit Equipment) – телекомунікаційного обладнання, модемів тощо, і центрів комутації пакетів (ЦКП, PSE, Packet Switching Exchange). Крім того, застосовуються конвертори пакетів (СРП, PAD, Packet Assembler/Disassembler), що буферизують потоки байтів від асинхронних “тупих” терміналів і перетворюють їх в потоки пакетів (і проводять зворотні перетворення).
Рисунок 11.1 – Структура мережі Х.25
Рекомендації CCITT (ITU) X.25 охоплюють три нижні рівні моделі OSI. На фізичному рівні визначені послідовні синхронні інтерфейси X.21 і X.21bis (допустиме використання інтерфейсів V.24, V.35, RS-232C, RS-449, G.703). Фізичний рівень не контролює правильність передачі. На канальному рівні мережа гарантує доставку, забезпечує цілісність даних і керування потоком. Канальний рівень реалізується підмножиною протоколу HDLC – протоколом LAP-B (Link Access Protocol – Balanced). Протокол LAP-B функціонує подібно до протоколу LLC2 (IEEE 802.2), тобто вимагає передачі квитанцій і виконує повторну передачу втрачених пакетів. На мережевому рівні визначений протокол X.25/3 (PLP, Packet Layer Protocol), що описує обмін пакетами між АПД і СПД. Він виконує функції маршрутизації пакетів, встановлення і розриву віртуального каналу, керування потоком пакетів. Після встановлення з'єднання АПД з комутатором на канальному рівні, АПД передає пакет запиту віртуального з'єднання з іншим АКП (Call Request), який маршрутизується комутаторами, прокладаючи віртуальний канал. Продуктивність комутаторів X.25 зазвичай складає декілька тисяч пакетів в секунду, що істотно обмежує пропускну спроможність мережі. Це пов'язано з тим, що протоколи X.25 призначалися для використання на низькошвидкісних лініях зв'язку з високим рівнем перешкод, тому кожен комутатор повинен підтвердити кожен прийнятий пакет, виконати розбір пакету для визначення подальшого шляху і повторну його упаковку в кадр LAP-B. При цьому затримка комутації складає сотні мілісекунд. Протокол X.25 допускає довжину поля даних користувача в пакеті до 4096 байт, але переважною є довжина за умовчанням 128 байт.
11.2 Технологія Frame Relay
Мережі з ретрансляцією кадрів (Frame Relay) є cистемами з комутацією пакетів, орієнтовані на цифрові лінії зв'язку із швидкістю до 45 Мбіт/с. Frame Relay працює в дейтаграмному режимі з малими затримками, не гарантує доставку, цілісність даних і керування потоком. При цьому мережі Frame Relay можуть гарантувати середню швидкість передачі даних по віртуальному каналу при допустимих пульсаціях трафіку (подібні гарантії якості обслуговування сьогодні надає тільки технологія АТМ). Технологія Frame Relay походить з мереж ISDN, де на початку 1980-х вона була стандартизована як одна із служб пакетного режиму. Frame Relay призначена для динамічного розділення пропускної здатності фізичного каналу між окремими процесами передачі даних (фактично, мережі Frame Relay використовуються не для з'єднання окремих вузлів, скільки для сполучення окремих локальних мереж). При використанні Frame Relay передбачається, що канал передачі даних достатньо надійний, що дозволяє перенести контроль помилок і керування потоком на рівні, які розміщені вище. В результаті кадри Frame Relay вміщують мінімальну кількість службової інформації і максимально швидко обробляються мережевим обладнанням. Frame Relay забезпечує встановлення постійних (PVC, Permanent Virtual Circuit) і комутованих (SVC, Switched Virtual Circuit) віртуальних каналів. На відміну від X.25, Frame Relay передає кадри тільки по протоколах фізичного і канального рівня, не зачіпаючи мережевий рівень. Протокол канального рівня LAP-F є спрощеною версією протоколу LAP-D, що працює в мережах ISDN по D-каналам. У основному режимі LAP-F кадри передаються без перетворень і контролю, як при комутації в локальних мережах. Хоча для кадрів використовується синхронний формат HDLC з довжиною поля даних до 4 Кбайт і двобайтовим полем CRC, значення CRC комутаторами не перевіряється. У разі перевантаження мережі пакети можуть анулюватися. Основу мережі Frame Relay утворюють спеціалізовані комутатори – FRAD (Frame Relay Access Device, пристрій доступу до мережі з ретрансляцією кадрів) – рисунок 11.2.
Рисунок 11.2 – Компоненти мережі Frame Relay
Структура кадру Frame Relay зображена на рисунку 11.3.
Рисунок 11.3 – Структура кадру Frame Relay
Поля “Прапор” позначають початок і кінець кадру. Двійкове значення цього поля – ‘01111110’. Поле “Дані користувача” може мати розмір до 4056 байт і призначено для даних, передаваних протоколами верхніх рівнів. Поле “Контрольна сума” містить 16-розрядну контрольну суму для полів “Заголовок” і “Дані користувача”. Поле “Заголовок”, (рисунок 11.4), несе інформацію, необхідну для управління передачею даних і має такий формат:
Рисунок 11.4 – Структура поля «Заголовок»
Поля EA0 і EA1 (Effective Address, адреса виконувача) управляють розміром заголовка. Якщо біт EA скинутий (EA0), то в наступному байті містяться додаткові біти DLCI. Якщо біт EA встановлений (EA1), то даний байт – останній в заголовку. Мінімальний заголовок, наведений на рисунку, складається з двох байт, в першому з яких біт EA скинутий, а в другому – встановлений. Можливі також трьох і 4-байтні заголовки, в яких всі байти, окрім останнього, мають ознаку EA0, а останній – EA1. Поле DLCI (Data Link Connection Identifier, ідентифікатор віртуального з'єднання) використовують комутатори (FRAD) для вказівки один одному інформації: які дані передаються в цьому кадрі. Ідентифікатор каналу передачі даних DLCI визначає віртуальний маршрут в мережі Frame Relay. При двобайтовому заголовку поле має довжину 10 біт, при трьохбайтовому – 16 біт, а при чотирьохбайтовому – 22 біта. Стандарт резервує інтервали значень DLCI 0..15 і 992..1023 для службових цілей, внутрішньомережевих з'єднань і управління канальним рівнем. Користувачами для нумерації PVC і SVC можуть використовуватися 976 ідентифікаторів DLCI з номерами від 16 до 991. Поля FECN (Forward Explicit Congestion Notification, явне повідомлення про затор в прямому напрямі) і BECN (Backward Explicit Congestion Notification, явне повідомлення про затор у зворотному напрямі) використовуються комутаторами при виникненні перевантажень в мережі. Якщо комутатор отримує більше кадрів, ніж він може обробити, то він встановлює в кадрах, що відправляються джерелу надмірних даних, біт BECN, а в кадрах, що відправляються одержувачеві надмірних даних, – біт FECN. Надходження кадру зі встановленим бітом BECN означає, що частина видаваних кадрів може бути відкинута комутаторами і потрібно уповільнити вихідний потік. Надходження кадру зі встановленим бітом FECN означає, що в даному потоці можливі (хоча і не обов'язково відбудуться) випадання кадрів. Узгоджена швидкість передавання даних (CIR) - це гарантована швидкість передачі даних мережею Frame Relay. Передача даних зі швидкостью, що перевищує CIR, призводить до встановлення у кожному кадрі біту DE. Поле DE (Discard Eligibility, прийнятність видалення) встановлюється відправником кадру і означає, що даний кадр при виникненні перевантажень можна видалити. Поле C/R (Command/Reply, команда/відповідь), коли рівне 1, в кадрах, що містять команди, вимагає, щоб на команду була дана відповідь, а в кадрах, що містять відповіді, указує на останній кадр відповіді.
11.3 Плезіохронна цифрова ієрархія |
| Америка | Європа | ||||
Рівень швидкості | Кількість каналів попереднього рівня | Кількість базових каналів | Швидкість,Кбіт/с | Кількість каналів попереднього рівня | Кількість базових каналів | Швидкість,Кбіт/с |
DS-0 | 1 | 1 | 64 | 1 | 1 | 64 |
DS-1 (T1/E1) | 24 | 24 | 1544 | 30 | 30 | 2048 |
DS-2 (T2/E2) | 4 | 96 | 6312 | 4 | 120 | 8488 |
DS-3 (T3/E3) | 7 | 672 | 44736 | 4 | 480 | 34368 |
DS-4 (T4/E4) | 6 | 4032 | 274176 | 4 | 1920 | 139264 |
Основна проблема при використанні PDH – складність виділення (демультиплексування) призначених для користувача каналів. Це пов'язано з використанням службових біт синхронізації між кадрами. Якщо потрібно виділити один базовий канал з кадрів каналу T3, потрібно провести повне демультиплексування в кадри T2, кадр T2 – в кадри T1, а з кадру T1 виділити дані одного базового каналу. Інший недолік PDH – слабкі засоби керування мережею, недостатня кількість інформації про стан каналу, відсутність процедур відмовостійкої підтримки. Нарешті, межа швидкості технології PDH – 274 Мбіт/с (T4) і 139 Мбіт/с (E4), в той час, як сучасні кабелі дозволяють передавати дані з швидкостями на порядок вище.
SDH розроблена компанією Bellcore (під назвою “Синхронні оптичні мережі” – Synchronous Optical NETs, SONET), а в 1988 році була стандартизована CCITT і ANSI (G.707-G.709).
Основна перевага SDH (в порівнянні з PDH) – прозорість мультиплексування і демультиплексування. Кадри SDH всіх рівнів мають таку структуру, що дозволяє легко (не розбираючи на складові весь високошвидкісний потік) виділяти (і вставляти) дані, що відносяться до необхідного базового каналу. Рівні ієрархії SDH перераховані в таблиці 11.2.
Кадр рівня STM-1 має довжину 2430 байт, час його передавання складає 125 мс (при швидкості 155,52 Мбіт/с). Кадр складається з 9 рядків по 270 байт, перші 9 байт в кожному рядку містять службові дані. Таким чином, швидкість передачі корисних даних складає 150,34 Мбіт/с.
Таблиця 11.2 – Рівні ієрархії SDH [14]
Можливість передавання мовних повідомлень мережею з пакетною комутацією з'явилася у 1993 році. Ця технологія отримала назву VoIP (Voice over IP). Одним з застосувань даної технології є IP-телефонія – послуга по передаванню телефонних розмов абонентів протоколом IP ). VoIP – система зв'язку, в якої аналоговий звуковий сигнал від одного абонента дискретизуеться (кодуется у цифровий) вигляд, компресуеться і пересилаеться по цифрових каналах зв'язку до другого абонента, де відбувається зворотна операція – декомпрессія, декодування та відтворення аналогового сигналу.
Основними перевагами технології VoIP є скорочення потрібної смуги пропускання,що є можливим враховуючи статистичні характеристики мовного трафіку: блокуванням передавання пауз (діалогових, слогових, сенсових і т.ін.), які можуть складати до 40-50 % загального часу заняття канала передачі; високою надмірністю мовного сигналу та його стиском (без втрати якості відновлення) до рівня 20-40 % початкового сигнала.
З іншого боку трафік VoIP критичний до затримок пакетів у мережі, але має толерантність (стійкість) до втрат окремих пакетів. Так втрата до 5 % пакетів не приводе до погіршення розбірливості мови.
Рекомендації Н.323 «Відеотелефонні системи та обладнання локальних обчислювальних мереж, без гарантування якості обслуговування» видав ITU, і цей стандарт став основою побудови перших глобальних систем інтернет-телефонії. Архітектура систем інтернет-телефонії зображена на рисунку 11.5. В центрі знаходиться шлюз, який з'єднує Інтернет з телефонною мережею. Він підтримує протокол Н.323 з боку Інтернету та протоколи ТМЗК (комутованої телефонної мережі загального користування) з «телефонної» сторони. Пристрої комунікації называють терміналами. В локальної мережі може бути машина-воротар (gatekeeper), яка керує кінцевими вузлами, які знаходяться у її зоні.
Рисунок 11.5 – Модель архітектури Н.323 для інтернет-телефонії
Призначення стандарту Н.323 - специфікація передавання мультимедійної інформації у пакетних KM. Стандарт сеансового рівня і може використовувати сервіси довільних транспортних протоколів (таких як TCP, UDP, IPX). Під час роботи він взаємодіє з RTР, RTCP, RSVP. Специфікація стандарту не передбачає елементів контролю якості передавання QoS. Цей стандарт ґрунтується на великій кількості інших стандартів.
Стандарт Н.323 використовує такі протоколи:
Щоб зрозуміти взаємодію ціх протоколів, розглянемо випадок коли ПК, є терміналом локальної мережі (з воротарем) и має дзвонити на віддалений телефон. Спочатку комп'ютеру потрібно знайти воротаря, тому він широкомовно надсилає спеціальний UDP-пакет через порт 1718. З відповіді воротаря ПК дізнається його IP-адресу. Втім комп'ютер повинен зареєструватися у воротаря. Для цього він надсилатиме повідомлення RAS у пакеті UDP. Після реєстрації комп'ютер звертається до воротаря з проханням (повідомлення доступу RAS) про резервування пропускної здатності. Тільки за умови надання цього ресурсу можна починати встановлення сполучення. Завчасне резервування пропускної здатності дозволяє воротарю обмежити кількість з'єднань на вихідної лінії, для забеспечення необхідної якості обслуговування.
Мова | Керування | |||
G.7xx | RTCP | H.225 (RAS) | Q.931 (Сигнали виклику) | H.245 (Керування викликами) |
RTP | ||||
UDP | TCP | |||
Протокол рівня передачі даних | ||||
Протокол фізичного рівня |
Рисунок 11.6 – Стек протоколів H.323
Тепер ПК встановлює TCP-з'єднання з воротарем для здійснення телефонного дзвінка. При встановленні телефонного з'єднання застосовують традиційні протоколи телефонної мережі, що орієновані на з'єднання. Тому потрібен протокол TCP. З іншого боку, в телефонної системі немає ніяких RAS, які дозволяли б телефоним апаратам заявляти про свою присутність, тому розробники Н.323 могли застосовувати як UDP, так і TCP для передавання повідомлень RAS, тоді був обраний протокол з найменшими накладними витратами – UDP. Тепер, коли терміналу вже надана пропускна здатність, він може надіслати по TCP-з'єднанню повідомлення SETUP (стандарт Q.931). В ньому вказаний номер викликаного абоненту (або IP-адреса і порт, якщо викликається віддалений комп'ютер). Воротарь відповідає Q.931- повідомленням CALL PROCEDING, яке підтверджує факт коректного приймання запиту. Потім воротарь відправляє повідомлення SETUP на шлюз. Шлюз, який є з одного боку комп'ютером, а з другого – телефонним комутатором, здійснює звичайний дзвінок на звичайний телефон. Телефонна станція викликаного абонента виконує свою звичайну роботу (у абонента лунає дзвінок), а ще вона надсилає в зворотьому напрямку Q.931- повідомлення ALERT, попереджуючи ПК про початок серії дзвінків. Коли абонент знімає слухавку, телефонна станція відправляє повідомлення CONNECT комп’ютеру про встановлення з'єднання. Посля встановлення з'єднання воротарь перестає брати участь в цьому процеі, хоча шлюз, зазвичай, продовжує працювати, задля забезпечення двухсторонього зв'язку. Пакети прямують в обхід воротаря та направляються напряму за IP-адресою шлюза. Цю ситуацію можна порівняти із звичайним каналом між двома сторонами..
Для перемовин про бажані параметри з'єднання використовують протокол Н.245. Спеціальним керуючим каналом Н.245, який завжди відкритий, кожна з сторін починає з оголошення своїх можливостей. Наприклад, може повідомлятися про підтримку відео (Н.323 може підтримати відео), конференц - зв'зку, використовуваних кодеках и т. п. Втім, після того як кожна з сторін узнає можливості іншої сторони, организують два односпрямованих канала, с якими зв'язуються зазначені кодекі. За домовленості по всіх питаннях починають передачу даних (по протоколу RTP). Керування іде за RTCP, він контролює перевантаження. Якщо передаються відеоданні, RTCP займається синхронізацією звукового та відеоряду.
На рисунку 11.7 показані різні види логічних каналів. Після того, як на одній із сторін покладуть слухавку, по каналу Q.931 передається сигнал закінчення зв'язку. Після розриву з'єднання, ПК повинен знову зв'язатися з воротарем і надіслати йому повідомлення RAS із запитом звільнення зарезервованої пропускної здатності. Втім, замість цього він може здійснити новий дзвінок. У телефонній частині системи використовується РСМ-кодування, що виключає джиттер.
Рисунок 11.7 – Логічні канали між абонентами, що спілкуються під час сеансу зв’язку
Протокол запуску з'єднання SIP
Стандарт Н.323 для Інтернет-спільноти виявився громіздким, складним і недостатньо гнучким. Спеціальний комітет IETF створив більш простій і гнучкий протокол передачі мови зверх IP - SIP (Session Initiation Protocol – протокол запуску з'єднання), описаний в RFC 3261. Протокол обумовлює спосіб встановлення телефонних з'єднань через Інтернет, технологію організації систем для відеоконференцій і способи створення інших мультимедійних застосувань. На відміну від Н.323, що є набором протоколів, SIP – це єдиний модуль, здатний взаємодіяти з різноманітними інтернет-застосуваннями. Наприклад, номери телефонів визначаються у вигляді URL, тобто на веб-сторінках можна розміщувати гіперпосилання, клацнувши на яких, користувач зможе встановити телефонне з'єднання.
Протокол SIP дозволяє встановлювати і двосторонні з'єднання (тобто звичайні телефонні з'єднання), і багатобічні (коли кожен з учасників може як слухати співрозмозмовника, так і говорити), і широкомовні (коли один з учасників говорить, а решта можуть тільки слухати). Під час сеансу зв'язки можуть передаватися аудіо-, відео- або інші дані. Ця можливість використовується, наприклад, при організації мережевих ігор з великою кількістю учасників в реальному часі. SIP займається тільки установкою, керуванням і розривом з'єднань. Для передачі даних використовуються протоколи RTP/RTCP. SIP – це протокол прикладного рівня, що працює поверх TCP або UDP.
Протокол SIP надає різноманітні послуги, включаючи пошук абонента (який може в даний момент бути далеко від свого домашнього комп'ютера), що викликається, визначення його можливостей, підтримку механізмів установки і розриву телефонного з'єднання. У простому випадку SIP встановлює сеанс зв'язку між комп'ютерами дзвонячих абонентів, що викликаються.
Телефонні номери в SIP представляються у вигляді URL з схемою sip. SIP URL можуть містити також адреси формату IPv4, IPv6 або реальні номери телефонів.
Протокол SIP є текстовим, він побудований по моделі HTTP. Одна із сторін посилає ASCII- повідомлення, в якому перший рядок містить ім'я методу, а нижче надходять додаткові рядки, що містять заголовки для передачі параметрів. Багато заголовків узято із стандарту MIME, що дозволяє SIP взаємодіяти з інтернет-застосуваннями. Шість методів базової специфікації, перераховано в таблиці 11.3.
Таблиця 11.3 – Методи SIP, які визначені базовою
специфікацією
Методи | Опис |
INVITE | Запит запуску сеансу зв’язку |
ACK | Підтвердження запуску сеанса |
BYE | Запит закінчення сеансу |
OPTIONS | Опитування можливостей хосту |
CANCEL | Відміна запиту |
REGISTER | Інформування сервера адресації про поточне місцезнаходження користувача |
Для встановлення сеансу зв'язку той, що дзвонить, повинен або створити TCP-з'єднання з абонентом, якого викликають, і надіслати повідомлення INVITE, або відсилати це ж повідомлення в UDP-пакеті. У обох випадках заголовки, що містяться в другому і всіх подальших рядках, описують структуру тіла повідомлення, що містить інформацію про можливості того, кто дзвонить, типи мультимедіа і формати. Якщо абонент, якого викликають, приймає дзвінок, він надсилає як відповідь трирозрядний код результату типу HTTP (код 200 означає прийом виклику). Слідом за рядком з кодом результату абонент, якого викликають, може також повідомити дані про свої можливості, типи мультимедіа і формати.
З'єднання встановлюється шляхом "потрійного рукостискання", той, що дзвонить надсилає АСК як для закінчення роботи протоколу, так і для підтвердження прийому коду 200. Будь-яка із сторін може послати запит закінчення сеансу зв'язку, для цього використовується метод BYE. Сеанс вважається закінченим після отримання підтвердження від протилежної сторони. Метод OPTIONS застосовується для опиту можливостей машини. Зазвичай це робиться перед запуском сеансу зв'язку для того, щоб визначити, чи підтримується тип сеансу, на який розраховує сторона, яка викликає, (наприклад, передача голосу зверх IP). Метод REGISTER дає можливість протоколу SIP розшукувати користувача і з'єднуватися з ним, навіть якщо його немає удома. Повідомлення даного методу, відправляється на пошуковий сервер SIP, що зберігає дані про те, хто де знаходиться в даний момент. Згодом за допомогою цього сервера можна спробувати знайти абонента. Операція переадресації, використовувана при цьому, показана на рисунку 11.8.
Рисунок 11.8 – Використання проксі та серверів
переадресації в протоколі SIP
Видно, що той, що дзвонить, відправляє повідомлення INVITE на проксі-сервер. Це робить можливе переадресування непомітним. Проксі намагається розшукати абонента і посилає INVITE за знайденою адресою. SIP має також безліч інших властивостей, серед них є функції очікування виклику, відображення дзвінка, шифрування і ідентифікацію того, кто дзвонить. Крім того, є можливість дзвонити з комп'ютера на звичайний телефон, якщо є доступ до відповідного шлюзу між Інтернетом і телефонною системою.
Порівняльний аналіз Н.323 і SIP. Обидва стандарти підтримують як двосторонній, так і багатобічний зв'язок.
Крайовим обладнанням можуть бути як комп'ютери, так і звичайні телефони. І там, і там сторони заздалегідь домовляються про параметри, можливе шифрування даних і використовують протоколи RTP/RTCP. Порівняльна таблиця 11.4 показує всю схожість і відмінності. Не дивлячись на схожий набір властивостей і характеристик, протоколи разюче відрізняються один від одного концепцією і філософією.
Таблиця 11.4 – Порівняння Н.323 та SIP
Аспект | Н.323 | SIP |
Розробник | ITU | IETF |
Сумісність з телефонною системою | Повна | В більшій мірі |
Сумісність з Інтернетом | Відсутня | Присутня |
Архітектура | Монолітна | Модульна |
Завершеність | Повний стек протоколів | SIP забезпечує лише встановлення з’єднання |
Переговори відносно параметрів | Ведуться обома сторонами | Ведуться обома сторонами |
Сигнали при виклику | Q.931 зверху TCP | SIP зверху TCP або UDP |
Формат повідомлення | Двійковий | ASCII |
Передача мультимедійних даних | RTP/RTCP | RTP/RTCP |
Багатобічний зв'язок | Присутній | Присутній |
Мультимедійні конференції | Можливі | Неможливі |
Адресація | Номер телефону або хосту | URL |
Розрив зв’язку | Наявний або розрив TCP-з’єднання | Наявний або за тайм-аутом |
Постійний обмін повідомленнями | Відсутній | Присутній |
Шифрування даних | Присутнє | Присутнє |
Реалізація | Громіздка та складна | Помірна за обсягом |
Статус | Широко розповсюджений | Перспективний |
Н.323 – це типовий телефонний стандарт. Він описує цілий стек протоколів і дуже точно указує, що дозволене, а що заборонене. Такий підхід приводить до певних протоколів на кожному рівні, чим спрощується завдання взаємодії мереж. Проте платою за це виявляється великий, складний і жорсткий стандарт, що важко адаптується до додатків, які з'являться в майбутньому.
SIP, навпаки, є типовим інтернет-протоколом, робота якого заснована на обміні короткими текстовими рядками. Оскільки модель системи передачі даних поверх IP, запропонована IETF, використовує модульний принцип, вона виявляється достатньо гнучкою і може легко адаптуватися до нових застосувань. Недолік цього протоколу пов'язаний з можливими проблемами міжмережної взаємодії.
Сучасні вимоги до VOIP. Технологія Voice-over-IP (VоIP) розвивається швидкими темпами. Але, як і до будь-якої перспективної технології, до неї висувається ряд вимог:
- суміщення передавання голосу і даних однією мережею;
- забезпече… Продолжение »