Анализ современных средств моделирования цифровых сетей передачи данных

М.В. Питолин

кандидат технических наук, доцент

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ

СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Процесс проектирования сетей передачи данных крупномасштабных информационно-телекоммуникационных систем состоит из следующих этапов:

- определение наборов сервисов, предоставляемых сетью;

- определение количества пользователей и качества обслуживания;

- определение необходимой пропускной способности сети;

- выбор технологии переноса данных;

- выбор географического положения узлов сети;

- синтез вариантов структуры сети;

- географическая трассировка каналов передачи данных;

- оптимизация структуры сети.

На каждом из этапов осуществляется построение модели, затрагивающей один или несколько аспектов построения сети передачи данных.

Наиболее сложными и трудоемкими являются этапы географической трассировки каналов связи и выбора структуры и расположения технических средств СПД. Также достаточно трудоемкими этапами являются этапы расчета технических характеристик сети и оптимизации сети с учетом задаваемых ограничений на пропускную способность и качество обслуживания.

Как правило, процесс проектирования сети передачи данных является итерационным, т. е. вначале делается предположение о возможном варианте системы, производится анализ характеристик системы, выбираются наиболее подходящие варианты, оптимизируются и, в случае если ни один из вариантов не устраивает проектировщика, на синтез первоначальных вариантов задаются дополнительные ограничения. После построения примерного варианта сети осуществляется его оптимизация, уточнение и детализация. На заключительном этапе проектирования осуществляется доработка сети, реконфигурация ее структуры и определение ее пользовательских характеристик. В процессе опытной эксплуатации сети осуществляется анализ ее реальных характеристик, после чего в соответствии с собранными данными осуществляется необходимая модернизация проекта сети.

Одним из наиболее важным этапов в процессе проектирования сетей передачи данных различных масштабов является этап выбора технологии переноса данных. В настоящее время существует достаточно большое количество различных технологий передачи данных, используемых в сетях различного масштаба и ориентированных на передачу информации различного вида. Наиболее важной является классификация сетей передачи данных по режиму переноса информации. Термин «режим переноса» введен

СС МСЭ для описания способа, используемого в телекоммуникационных сетях для транспортирования информации и охватывающего аспекты передачи, мультиплексирования и коммутации. Основные способы транспортирования информации от источника до получателя, применяемые в сетях связи в настоящее время, представлены на рисунке.

Постоянная скорость Изменяющаяся

передачи скорость передачи

<------------------------------------------------------------------------------

Простота Сложность

Коммутация Многоско- Быстрая Асинхрон- Быстрая Frame Коммутация

каналов ростная коммутация ный режим коммутация Relay пакетов

коммутация каналов переноса пакетов

каналов

Существующие методы переноса информации

Коммутация каналов используется в аналоговых сетях телефонной связи и в узкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (УЦСИО). Режим коммутации каналов в УЦСИО базируется на принципе временного разделения каналов для транспортирования информации от одного узла к другому. Информация передается с определенной частотой, несколько соединений мультиплексируются в одном тракте путем объединения временных интервалов в кадры, которые также повторяются с определенной частотой. Системы передачи с многоскоростной коммутацией каналов используют тот же метод временного разделения, что и системы с обычной коммутацией каналов, однако в каждом соединении может использоваться n (n>1) основных цифровых каналов. Режим быстрой коммутации основан на использовании ресурсов сети только в момент передачи информации. Повышение эффективности использования цифровых трактов связи достигается за счет статистического уплотнения и при идеальной работе системы сигнализации при одной и той же вероятности отказа в обслуживании достигает величины в 180— 200 % по сравнению с многоскоростной коммутацией каналов.

Режимы коммутации пакетов используются в технологиях IP и Frame Relay. Режим быстрой коммутации основан на пакетной коммутации с минимумом функций, выполняемых узлами коммутации на уровне звена с целью повышения уровня временной прозрачности сети. Этот режим переноса информации используется в технологиях ATM (Asynchronous Transfer Mode) и MPLS (Multi-Protocol Label Switching).

Наиболее перспективными для построения цифровых сетей передачи данных, интегрирующих в себе большое количество различных видов сервисов, являются следующие транспортные технологии:

Frame Relay;

ISDN;

SDH;

ATM;

IP;

MPLS.

Frame Relay (FR) представляет собой высокопроизводительную сетевую технологию, которая обеспечивает эффективное разделение ресурсов, поддерживая множество виртуальных каналов над одной высокоскоростной магистралью. Маршрутизация в протоколе FR базируется на простых номерах виртуальных каналов вместо сложных адресов сетевого уровня, используемого маршрутизаторами. Это позволяет

сети FR добиваться более высокой производительности по сравнению с сетями маршрутизаторов. Являясь технологией с установлением соединения, FR лучше справляется с потоком данных и перегрузками, чем сети маршрутизаторов. Сеть FR идеальна для ситуации, когда пользовательский узел представляет собой интеллектуальное оборудование типа рабочая станция или ЛВС, а канал связи обеспечивает высокое качество передачи данных. Помимо базовых функций передачи данных протокола Frame Relay спецификация консорциума Frame Relay включает дополнения LMI, которые делают задачу поддержания крупных межсетей более легкой. Существуют следующие основные дополнения LMI:

1. Сообщения о состоянии виртуальных цепей (общее дополнение). Обеспечивает связь и синхронизацию между сетью и устройством пользователя.

2. Многопунктовая адресация (факультативное). Позволяет отправителю передавать один блок данных, но доставлять его через сеть нескольким получателям.

3. Глобальная адресация (факультативное). Наделяет идентификаторы связи глобальным, а не локальным значением, позволяя их использование для идентификации определенного интерфейса с сетью Frame Relay.

4. Простое управление потоком данных (факультативное). Обеспечивает механизм управления потоком XON/XOFF, который применим ко всему интерфейсу Frame Relay. Он предназначен для тех устройств, высшие уровни которых не могут использовать биты уведомления о перегрузке и которые нуждаются в определенном уровне управления потоком данных.

К достоинствам технологии Frame Relay относятся:

наличие эффективных механизмов адаптации к различным видам трафика, обладающим различными вероятностно-временными характеристиками, что позволяет передавать по сетям Frame Relay как данные, так и голос/факс и видео;

высокая эффективность механизмов статистического уплотнения информации (аналогично АТМ), т. е. высокая эффективность при передаче трафика, характеризующегося ярко выраженной неравномерностью во времени трафика локальных сетей;

малая протокольная избыточность;

гибкость реализуемых на основе FR решений.

Функциональная архитектура цифровых сетей с интегральным обслуживанием — это сеть, которая обеспечивает полностью цифровые соединения между оконечными устройствами для поддержания широкого спектра речевых и неречевых услуг, доступных с помощью ограниченного набора стандартизованных многофункциональных интерфейсов. Наибольшее распространение получили первичный вид доступа пользователя к сети (PRI) и базовый вид доступа (BRI). Первичный доступ предоставляет пользователю 30 каналов типа B (универсальных каналов для передачи речи и данных скоростью 64 кбит/с) и один канал типа D (вспомогательный выделенный канал) по линии со скоростью передачи 2048 кбит/c или 23 канала типа B и один канал типа D по линии скоростью 1544 кбит/c. Базовый доступ предоставляет пользователю два канала типа B со скоростью 64 кбит/с и один канал типа D со скоростью 16 бит/с.

Форматы блока данных физичесшго уровня ISDN различаются в зависимости от того, является блок данных отправляемым за пределы терминала (из терминала в сеть) или входящим в пределы терминала (из сети в терминал). Длина блоков данных равна 48 битам, из которых 36 бит представляют информацию. Физически к одной цепи может быть подключено множество устройств пользователей ISDN.

Технология синхронных волоконно-оптических сетей основана на использовании стандарта синхронной цифровой иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

Соответствие уровней иерархии SDH и базовых скоростей передачи представлено в таблице.

Уровни STM

Уровень Скорость, Мбит/с

STM-0 или STM-1/3 51,84

STM-1 155,52

STM-4 622,08

STM-16 2488,32

STM-64 9953,28

Сети стандарта SDH реализуют обобщенную схему мультиплексирования сигнала SDH. Схема SDH-мультиплексирования включает в себя следующие основные компоненты:

контейнеры разного порядка C-n (n=1—4) — базовые элементы, транспортные модули сигнала STM;

виртуальные контейнеры разного порядка VC-n (n=1—4); компонентные блоки TU-n (n=1—3); группы компонентных блоков TUG-n (n=2,3); административные блоки AU-n (n=3,4); группы административных блоков AUG.

Сети SDH строятся с помощью следующего набора модулей: мультиплексоры SDH — основные функциональные модули сетей SDH, осуществляющие сборку высокоскоростного потока из низкоскоростных и разборку из высокоскоростных низкоскоростных потоков;

коммутаторы — устройства для связывания различных закрепленных за пользователем каналов путем организации полупостоянного перекрестного соединения между ними;

концентраторы — устройства мультиплексирования, имеющие один оптический канал доступа и один-два агрегатных выхода, используемых для увеличения расстояния между узлами сети SDH.

SDH-технология предоставляет и операторам телекоммуникационных сетей, и конечным пользователям ряд преимуществ:

упрощение схемы построения и развития SDH-сети;

высокую надежность — централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния узлов, использование кольцевых технологий предоставляет возможность автоматической перемаршрутизации каналов при любых аварийных ситуациях;

полный программный контроль — управление конфигурацией сети, отслеживание и регистрация аварийных ситуаций осуществляются программными средствами с единой консоли управления;

предоставление услуг по требованию — создание новых или перемаршрутизация старых каналов пользователя производятся оперативно в течение короткого времени;

высокий уровень стандартизации позволяет использовать оборудование разных фирм-производителей в одной сети.

Используемые в SDH-сети устройства могут объединяться в конфигурации, организуя единую цифровую сеть. Функционально мультиплексор SDH имеет два набора интерфейсов: пользовательский и агрегатный. Пользовательский набор интерфейсов обеспечивает подключение пользователей, а агрегатный — создание линейных межуз-ловых соединений. Данные интерфейсы позволяют создавать следующие базовые топологии: «кольцо», «линейная цепь», «звезда», «точка—точка». Из данных базовых элементов и складывается топология всей SDH-сети. Наиболее часто применяются радиально-кольцевая архитектура сети SDH, построенная на базе кольцевой и линейной

топологий и архитектура типа «кольцо—кольцо», причем кольца могут принадлежать как к одному, так и к разным уровням.

Технология ATM была разработана организациями по стандартизации ANSI и TU как транспортный механизм для широкополосной сети ISDN — B-ISDN. В соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum модель ATM состоит из трех уровней: физического; уровня ATM; уровня адаптации ATM.

Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровням 7-уровневой модели взаимодействия открытых систем OSI.

Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения близки к функциям маршрутизации сетевого уровня в модели OSI. Стандарты установления соединения определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал ATM — это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным — после установления соединения каждая конечная станция может посылать пакеты другой станции и получать их от нее. После того как соединение установлено, коммутаторы ATM между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо отправлять ячейки. В них используется следующая информация: адрес порта, из которого приходят ячейки;

идентификаторы виртуального канала (VCI) и идентификаторы виртуального пути (VPI) в заголовках ячейки.

Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед их передачей.

В ATM имеется три типа виртуальных каналов: постоянные виртуальные каналы PVC; коммутируемые виртуальные каналы SVC; интеллектуальные постоянные виртуальные каналы SPVC.

Уровень адаптации ATM также определяет четыре категории сервиса со скоростями передачи:

постоянной — CBR; переменной — VBR; неопределенной — UBR; доступной — ABR.

Эти категории используются для обеспечения различных уровней качества сервиса QoS для разных типов трафика. Категории включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Также категории включают в себя следующие параметры качества сервиса:

коэффициент потерь ячеек, определяющий, какой процент высокоприоритетных ячеек может быть потерян за время передачи;

задержка передачи ячейки, определяющая время для доставки ячейки адресату; изменение задержки передачи ячейки CDV, определяющей допустимые изменения в распределении ячеек между конечными станциями.

Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса, затем сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS.

Под семейством протоколов TCP/IP понимают весь набор реализаций стандартов сети Internet. Общим и основополагающим элементом для всех протоколов стека TCP/IP является Internet Protocol (IP), который и реализует распространение информации по IP-сети.

Протокол IP осуществляет передачу информации от узла к узлу сети в виде дискретных блоков - пакетов. При этом протокол IP не несет «ответственности» за надежность доставки информации, целостность или сохранение порядка потока пакетов и не решает с необходимым для приложений качеством задачу передачи информации. Ее решают протокол управления передачей TCP и дейтаграммный протокол передачи данных UDP. Протокол TCP является протоколом с установлением сети, в то время как UDP каждый блок передаваемой информации обрабатывает и распространяет как независимую единицу (дейтаграмму).

Стек протоколов управления в TCP/IP-сетях представляют в виде пяти уровней:

(5) прикладной;

(4) транспортный;

(3) межсетевой;

(2) сетевой интерфейс;

(1) оборудование.

Уровень оборудования описывает конкретную среду передачи данных.

На уровне сетевых интерфейсов находится аппаратно зависимое ПО, реализующее распространение информации на конкретном отрезке среды передачи данных.

На уровне межсетевого взаимодействия действует протокол IP, главная задача которого — маршрутизация при доставке информации от узла-отправителя до узла-получателя. Вторая задача протокола IP — предоставление вышележащим уровням единого унифицированного и аппаратно независимого интерфейса для доставки информации.

Как и у других протоколов сетевого уровня, схема адресации IP является интегральной по отношению к процессу маршрутизации дейтаграмм IP через объединенную сеть. Длина адреса IP составляет 32 бита, разделенных на две или три части. Первая часть обозначает адрес сети, вторая (если она имеется) — адрес подсети, и третья — адрес главной вычислительной машины. Адреса подсети присутствуют только в том случае, если администратор сети принял решение о разделении сети на подсети. Длина полей адреса сети, подсети и главной вычислительной машины являются переменными величинами.

Транспортный уровень, обеспечивающий транспортную службу, гарантирующую доставку пакетов, сохранение порядка и целостности потока пакетов, реализуется протоколами TCP и UDP.

На прикладном уровне лежат прикладные задачи, запрашивающие сервис у транспортного уровня.

Одним из решений является технология многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS), продвигаемая в последнее время IETF. MPLS — это технология коммутации, предназначенная для предоставления на третьем уровне модели OSI услуг с установлением соединения. Технология MPLS обеспечивает сетевым сервисам необходимый уровень обслуживания и позволяет осуществлять регулирование трафика на уровне IP.

Принцип работы MPLS основан на продвижении пакетов через сеть с помощью меток фиксированной длины, а не с помощью IP-адресов. Пересылка пакетов через сеть осуществляется с использованием двух видов устройств: пограничных маршрутизаторов с коммутацией меток (Label Edge Router, LER), которые осуществляют вставку меток в пакеты IP, и транзитных маршрутизаторов с коммутацией меток (Core Label Switch Router, LSR), осуществляющих пересылку пакетов. Пересылка пакетов осуществляется на основе меток, функции которых аналогичны функциям VPI в сетях ATM. Когда LSR

получает пакет, он отсылает его дальше, заменив входящую метку на исходящую. После того как маркированный пакет достигает конца сети MPLS, маршрутизатор LER удаляет из него метку и пересылает пакет далее, используя обычные средства IP.

Коммутация пакетов на основе меток в сети MPLS осуществляется на основе наборов меток LSP (Label Switched Path), определяющих пути коммутации пакетов. Формирование LSP осуществляется с помощью внутреннего протокола маршрутизации IGP (Interior Gateway Protocol) и протокола распределения меток LDP (Label Distribution Protocol). Следует заметить, что построение таблиц коммутации LSP осуществляется до появления трафика. Пересылка информационных потоков через сеть MPLS осуществляется на основе построенных LSP в соответствии со значениями меток пакетов.

Использование сетей MPLS позволяет добиться следующих преимуществ по сравнению со стандартными сетями IP:

1. Реализация виртуальных частных сетей VPN. Реализация VPN на основе MPLS осуществляется с помощью добавления дополнительных меток VPN на пограничных маршрутизаторах LER, после чего пакеты пересылаются по сети MPLS согласно технологии. Промежуточные маршрутизаторы LSR оперируют с пакетами только на основе меток, направляющих пакеты через сеть MPLS и игнорируют метки VPN. Таким образом, трафик VPN между двумя пограничными маршрутизаторами LER вообще не виден устройствам, не входящим в сеть VPN.

2. Широкие возможности управления трафиком. Потокам, проходящим через сеть MPLS, можно назначать пути, которые отклоняются от путей IGP, например с помощью протокола резервирования ресурсов RSVP, что позволяет более равномерно распределять нагрузку по сети и рациональнее использовать ресурсы.

Таким образом, проектирование современных мультисервисных сетей передачи данных связано с трудностями, обусловленными следующими факторами:

необходимость постоянного изучения новых технологий передачи данных, их особенностей и особенностей оборудования, поддерживающего эти технологии;

жесткие требования к стоимости и продолжительности реализации проектов сетей, а также быстро изменяющиеся во времени потребности пользователей, что приводит к необходимости организации командной работы над проектами;

итеративность процесса построения сетей передачи данных, связанная с постоянным появлением новых сервисов, увеличением количества пользователей сетей и расширением потребностей существующих пользователей.

Проектирование СПД современных ИТС нуждается в средствах САПР, используемых на различных этапах проектирования. Кроме того, для повышения эффективности работы средства САПР СПД должны быть интегрированы в единую систему, отдельные модули которой могут использоваться на различных этапах проектирования.