Na sítě s Ritou - Moderní síťové technologie a propojování sítí

V minulých dvou částech seriálu o síťování jsme se věnovali lokálním sítím.
Sítě lokální obhájily bezesporu své místo v podnikovém prostředí podporují

skupinové aplikace, zajišťují bezpečnou a snadnou dostupnost potřebných dat a

informací a slouží jako infrastruktura elektronické komunikace v rámci podniku.

Nicméně dnešní firmy mají stále častěji distribuovaná pracoviště, pobočky v

různých městech nebo i v zahraničí, a také stále více zaměstnanců pracuje z

domova. V takovém případě již nestačí pouze jediná lokální síť, ale je potřebná

komunikace na velkou vzdálenost, kterou nejlépe podporují rozlehlé sítě (WAN).

V tomto dílu se proto budeme věnovat právě těmto typům sítí, jež především

slouží jako přenosové prostředí, s většími či menšími možnostmi pro zajištění

uživatelských požadavků na přenos různých typů signálů (data, hlas, obraz).

Rozlehlé sítě (Wide Area Networks, WAN) umožňují komunikaci mezi koncovými

uzly, stanicemi, lokálními nebo metropolitními sítěmi, zpravidla na velkou

vzdálenost. Původně sítě podporující pouze čistě datové služby (na rozdíl od

telefonní sítě PSTN, určené především pro hlasové služby), dnes rozšiřují svoji

působnost v souvislosti s integrací dat, obrazových a hlasových informací.

Rozlehlé sítě mohou tvořit přenosovou páteř podnikové sítě, ale z hlediska

přenosových rychlostí nemusí být nutně částí s nejvyšší propustností.

U všech rozlehlých sítí má pro koncového uživatele největší význam rozhraní

přístupu k síti, jeho vlastnosti, funkce a možnosti. Proto také většina

normalizovaných rozlehlých sítí přesně definuje rozhraní mezi sítí a uživatelem

z hlediska služeb, ale ponechává vnitřní uspořádání sítě na samotném

provozovateli (z hlediska uživatele se síť jeví jako síťový oblak nebo spíše

černá schránka).

Typické vlastnosti pro rozlehlé sítě

- poskytují přenosové kapacity prostřednictvím komunikace se spojením,

- nepoužívají sdílený přenosový prostředek,

- podporují omezeně vysílání na skupinovou adresu a nepodporují vysílání na

adresu všeobecnou,

- nepodporují uživatelské aplikace přímo v síti, poskytují jim jen přenosové

prostředí,

- převážně slouží ke komunikaci na velké vzdálenosti (přesahující možnosti

lokálních či metropolitních sítí).

Moderní rozlehlé sítě již umožňují podstatně více než jejich předchůdci a nelze

je s čistým svědomím „ponížit“ pouze na sítě přenosové. Obecným základem

funkčnosti rozlehlých sítí je existence nebo dynamické vytváření spojení nebo

okruhů (fyzických i virtuálních) mezi dvojicemi stanic, které spolu chtějí

komunikovat v síti. Přepojování v centrálních zařízeních sítě (ústředny,

přepínače) se dělí na přepojování okruhů a přepojování paketů:

přepojování okruhů je nejstarší způsob používaný jak v telegrafních tak

telefonních sítích, ale je také základem ISDN mezi koncovými uživateli musí být

nejprve vybudována celá komunikační cesta, která je po dobu spojení plně pouze

a jen k dispozici pro komunikaci těchto dvou stanic (případně více stanic

komunikujících mezi sebou);

přepojování paketů vzniklo z přepojování zpráv a dnes se ve své nejklasičtější

podobě využívá v rozlehlých sítích X.25 není třeba nejprve vybudovat celou

komunikační cestu mezi dvěma stanicemi a zablokovat ji pro celou dobu

komunikace, místo toho se využívá tzv. virtuálních okruhů. Přepojovací zařízení

sítě se řídí cílovými adresami v příchozích datových jednotkách a podle nich

využijí buď předem definovanou cestu (prostřednictvím pevného virtuálního

okruhu, PVC), nebo dynamicky sestavenou cestu (na základě přepínaného

virtuálního okruhu, SVC). Přepojování paketů různých délek vedlo ke vzniku sítí

na bázi přepojování rámců proměnných délek (síť Frame Relay) až k sítím s

přepojováním konstantních buněk (sítě typu ATM).

Podle druhu přepojování se sítě dělí na ty s přepojováním okruhů nebo krátce

komutační sítě (PSTN, ISDN) a na sítě s přepojováním paketů, paketové sítě.

Mezi normalizované a široce využívané paketové rozlehlé sítě patří (v pořadí

vzniku a současně vzestupně podle maximálních přenosových rychlostí):

- X.25,

- Frame Relay,

- Asynchronous Transfer Mode (ATM).

Pro přechod od pomalejších rozlehlých sítí k ATM byla definována ještě jedna

síťová služba, Switched Multimegabit Data Service (SMDS), nebo také

Connectionless Broadband Data Service (CBDS). Jedná se o veřejnou paketovou

službu bez spojení poskytující vysokou přenosovou rychlost (do 45 Mb/s),

určenou především pro propojení lokálních sítí, pracujících rovněž v režimu bez

spojení. Na rozdíl od ostatních jmenovaných typů rozlehlých sítí nebo

technologií (X.25, Frame Relay nebo ATM), SMDS definuje službu, nikoli síť.

Služba SMDS byla specifikována firmou Bellcore v USA na přelomu osmdesátých a

devadesátých let a poprvé implementována v r. 1992. CBDS je evropská,

normalizovaná varianta SMDS (ETSI, ETS 300 217). Podobnost s ATM tkví v poprvé

použité konstantní délce datové jednotky, a to 53 oktetů (obdoba buňky ATM), v

souladu s vrstvou AAL u ATM.

Základní charakteristiky všech typů rozlehlých sítí postavených na bázi

přepojování paketů a jejich porovnání jsou uvedeny v tabulce: Porovnání

charakteristik rozlehlých sítí. Vzhledem k omezenému prostoru tohoto článku

jsou jednotlivé sítě popsány velmi stručně, proto pro jejich vzájemné porovnání

a následnou volbu mezi nimi pro konkrétní situaci a aplikaci jsou jednotlivě

shrnuty jejich výhody a nevýhody. Pouze na okraj je dobré připomenout, že

všechny zmiňované typy sítí podporují jakékoli protokoly vyšších vrstev (jiná

situace je v ojedinělých případech starších spojových protokolů, viz dále).

Mezi rozlehlé sítě přímo nepatří, ale pro přístup k nim nelze opomenout využití

analogových spojů pro vytáčená spojení, která jsou vhodná nejen pro přístup k

rozlehlé síti, ale také pro komunikaci uživatele s podnikovou sítí. Vhodná jsou

všude tam, kde se nepřenášejí velké soubory, nejsou velké nároky na rychlost

(do 56 Kb/s, běžněji do 33,6 Kb/s přes telefonní síť, více přes síť ISDN), ani

na zpoždění. Tento typ spojení se také úspěšně využívá jako záložní pro jinou

primární komunikaci po rozlehlé síti.

Veřejné vs. soukromé rozlehlé sítě

Při požadavku na komunikaci do velkých vzdáleností se lze rozhodovat mezi

využitím veřejných sítí nebo budováním sítě soukromé (na rozdíl od sítí

lokálních, které jsou téměř výhradně soukromé, podnikové).

Veřejné rozlehlé sítě se stávají stále populárnější v souvislosti s jejich

nabídkami, vývojem, typy a technologiemi, rychlostmi přenosu a cenovou

politikou. Především znamenají přesun zodpovědnosti za management sítě z

podnikového síťového správce na provozovatele příslušné sítě.

Soukromé sítě využívají buď vlastní infrastrukturu, nebo pronajaté okruhy mezi

datovými zařízeními, především přepínači WAN. Veškerá zařízení sítě jsou v

majetku vlastníka sítě podobně jako management spojů a zařízení. Pronajaté

okruhy (digitální nebo analogové), s rychlostmi běžně od 56 Kb/s do 155 Mb/s,

nebývají cenově nejpříznivější. Důvodem je jejich neefektivní skutečné využití

a malá pružnost v případě nutnosti změnit topologii sítě.

Každá z výše uvedených alternativ má své výhody i nevýhody, proto je třeba vzít

v úvahu celou řadu faktorů (nejen pořizovacích a provozních nákladů), mezi něž

patří otázky:

- jak dalece je potřeba mít nad rozlehlou sítí dohled,

- jaké jsou bezpečnostní požadavky na komunikaci,

- zda je k dispozici personál pro vybudování, údržbu a management sítě,

- jaké jsou stávající investice do datových zařízení,

- zda je třeba přísně rozlišovat mezi lokální a rozlehlou sítí, nebo lze využít

určitého stupně integrace,

- pro jaké typy aplikací dálková komunikace bude využívána a jaký je vzorek

provozu (objem, častost, konstantní nebo proměnný),

- jaké jsou výkonnostní požadavky všeobecně a jak se liší v jednotlivých

místech, která je třeba propojit,

- jaký je počet míst pro propojení a

- jak jsou geograficky rozložena.

Co je DTE a DCE?

Než se pustíme podrobněji do jednotlivých typů rozlehlých sítí, musíme si

uvědomit, že v připojování k rozlehlé síti se z hlediska funkčnosti rozeznávají

dva základní typy zařízení (viz obr. DTE a DCE v rozlehlých sítích):

- koncové (datové) zařízení (Data Terminal Equipment, DTE) využívá

komunikačních služeb pro vlastní činnost, která je jiného charakteru. Příkladem

jsou počítače (osobní, pracovní stanice, minipočítače nebo sálové), terminály,

tiskárny, specializovaná zařízení (čtečky čárových kódů, bankomaty), ale také

směrovače (z hlediska rozlehlé sítě).

- ukončující (datové) zařízení (okruhu) (Data-Circuit Terminating Equipment,

DCE, někdy nesprávně Data Communications Equipment) poskytuje přístup ke

komunikačním prostředkům nebo je přímo implementuje. Jeho úkolem je přesouvat

informace a poskytovat rozhraní mezi rozlehlou sítí a koncovým zařízením.

Ukončující datové zařízení zakončuje buď telekomunikační okruh, který mění na

datový, nebo datovou síť, jejíž je potom součástí. Příkladem jsou ústředny,

přepínače v rozlehlých sítích, modem, terminálový adaptér.

Pojmy DTE a DCE jsou systémové a jsou důležité při řešení topologie (rozmístění

a propojení částí systémů a sítí) a architektury (struktury řízení systémů a

sítí).

Spojové protokoly

Zmiňme se o možných způsobech připojení k rozlehlým sítím a o příslušných

spojových protokolech používaných na sériových spojích (v některých případech

jsou základem komunikace na spojové vrstvě v rámci paketových sítí):

High Data Link Control (HDLC) normalizovaný protokol (ISO/IEC) vychází z

firemního protokolu SDLC (Synchronous Data Link Control, IBM). Podporuje

synchronní komunikaci, v plně duplexním režimu a v konfiguraci jak dvoubodové,

tak vícebodové. V komunikaci rozlišuje jako jediný mezi primární a sekundární

stanicí; podporuje tři přenosové režimy.

Link Access Procedure Balanced (LAPB) normalizovaný protokol (ISO/IEC) odvozený

z HDLC, modifikace asynchronního vyváženého režimu (Asynchronous Balanced Mode,

ABM).

Serial Line Internet Protocol (SLIP) jeden z nejjednodušších spojových

protokolů, omezených na přenos IP datagramů po vytáčeném spojení se sériovým

rozhraním EIA/TIA 232 připojeným na modem. Běžná podporovaná rychlost v rámci

protokolu SLIP (podle RFC 1055) je 1 200 b/s až 19,2 Kb/s, ale prakticky je

možná i vyšší. Protokol lze použít pro komunikaci mezi koncovými uživateli,

mezi koncovým uživatelem a směrovačem nebo mezi směrovači. Vylepšením protokolu

je komprimovaný SLIP (Compressed Serial Line Internet Protocol, CSLIP), který

používá kompresi záhlaví TCP/IP pomocí Van Jacobsonova algoritmu (RFC 1144).

Point-to-Point Protocol (PPP) de facto normalizovaný, otevřený protokol (IETF

RFC 1661, RFC 2153) vhodný pro použití v heterogenním prostředí se zařízeními

od různých výrobců, protože podporuje multiprotokolové prostředí a navíc má

řadu podpůrných výběrových funkcí. Protokol provádí dynamickou konfiguraci při

navazování spojení (s možností autentizace, komprese apod.). PPP se skládá ze

dvou úrovní:

- protokol řízení spoje (Link Control Protocol, LCP) navazuje spojení, dohaduje

konfiguraci a testuje spoj. Může probíhat až ve čtyřech fázích, z nichž pouze

dvě jsou povinné: navázání a udržování spojení. Další dvě, autentizace a

zjištění kvality spoje, jsou volitelné a závisí na konkrétní implementaci

protokolu.

- protokoly řízení sítě (Network Control Protocol, NCP) se používají jako

podpora pro jednotlivé protokoly vyšší, síťové vrstvy (pro zapouzdření,

adresaci apod.). Pro každou síťovou architekturu (TCP/IP, AppleTalk, NetWare

apod.) existuje specifický protokol NCP (definovaný v příslušném RFC).

Síť X.25

Paketová síť X.25 (podle označení doporučení CCITT) je tvořena přístupovými

protokoly: protokoly fyzické, spojové a síťové vrstvy (doporučení X.25 sice

definuje síťový protokol, ale běžně se používá pro označení celé sítě). X.25

vzniklo v roce 1976, kdy neexistoval pojem vrstvové architektury a referenční

model OSI, proto jeho původní architektura přímo neodpovídala vrstvovému modelu

OSI (popsanému v první části tohoto seriálu).

Mezi základní charakteristiky sítě X.25 patří:

- komunikace se spojením, zajišťující bezchybný přenos paketů prostřednictvím

pevných a přepínaných virtuálních okruhů,

- přenosové prostředí pro pakety libovolných síťových architektur,

- rychlost maximálně do 64 Kb/s,

- síťová adresa podle doporučení X.121,

- žádná podpora pro přenos paketů na skupinovou nebo všeobecnou adresu.

Frame Relay

Síť Frame Relay (rámcové komunikace nebo převádění rámců) je mezi rozlehlými

sítěmi velmi populárním následovníkem sítě X.25, především díky vyšším

rychlostem, které poskytuje. Zrychlení se docílilo odbouráním síťové vrstvy a

jejích funkcí a zjednodušení práce propojovacích zařízení sítě pouze na úroveň

spojové vrstvy. Mezi její základní vlastnosti patří:

- typická přenosová rychlost 64 Kb/s až 2 048 Mb/s (možná rychlost až 45 Mb/s),

- proměnná velikost rámců až do 8 189 oktetů,

- přenos po dvoubodových okruzích,

- služba se spojením po pevných nebo přepínaných virtuálních okruzích (jedno

fyzické rozhraní podporuje více logických spojení),

- transparentní přenos,

- detekce chyb (bez opravy).

Frame Relay na spojové vrstvě používá bitově orientovaný protokol LAPF (Link

Access Procedure Frame relay), odvozený z LAPB, resp. HDLC. Přestože řízení

zabezpečení a řízení toku nezabezpečuje síť, ale koncová zařízení, má síť

možnost oznámit koncovým komunikujícím stanicím problém s nízkou propustností

sítě:

- dopředné oznámení o přetížení (Forward Explicit Congestion Notification,

FECN) oznámení sítě přijímajícímu uživateli, že rámec byl doručen po přetíženém

spojení, proto má snížit rychlost příjmu rámců. Přijímající koncová stanice

(při nastavení bitu FECN) musí zkontrolovat objem příchozího provozu pokud se

překročí CIR (Committed Information Rate, propustnost zajištěná sítí na základě

dohody uživatele s provozovatelem), má situaci oznámit vysílající stanici

pomocí BECN, aby se redukoval provoz od příjemce,

- zpětné oznámení o přetížení (Backward Explicit Congestion Notification, BECN)

oznámení sítě odesílateli o přetížení sítě a o vyvolání opatření proti

zahlcení. Zdrojové zařízení by mělo snížit objem vysílání k dané cílové

stanici, pokud ještě nějaká data posílá.

Frame Relay je vhodné pro propojování lokálních sítí na velké vzdálenosti, nebo

pro aplikace generující nárazově velké objemy dat. Naproti tomu není

nejvhodnějším řešením pro přenos videa (z důvodů rámců proměnné délky) a pro

aplikace citlivé na zpoždění (například přenos hlasu, který se řeší v rámci

nadstavby Voice over Frame Relay, VoFR).

ATM

Asynchronní režim převádění (Asynchronous Transfer Mode, ATM) je technika

přenosu buněk (konstantní délky), jejich statistického multiplexování,

přepojování a směrování k adresátům po virtuálních kanálech. Pojem asynchronní

však neznamená asynchronní přenos, ale nepravidelný výskyt buněk během spojení.

Pojem převádění (transfer) v sobě skrývá nejen přenos, ale i přepojování.

Vlastní síť se skládá z komunikačních cest mezi jednotlivými přepínači ATM. ATM

definuje jak rozhraní mezi uživatelem a sítí (UNI), tak mezi jednotlivými

přepínači v síti (NNI).

Základní vlastnosti ATM lze shrnout následovně:

- přenosové prostředí nabízející komunikaci se spojením a podporující vysoké

přenosové rychlosti (1,5 Mb/s až 2,4 Gb/s) v plně duplexním režimu,

- komunikace po přepínaných nebo pevných virtuálních okruzích,

- garantovaná kvalita služeb (podle toho garance šířky pásma), vhodná pro různé

typy přenášených informací,

- přenos datových jednotek konstantní délky 53 bitů,

- virtuální adresace, pomocí označení virtuální cesty a v ní virtuálního

spojení,

- bez detekce chyb a řízení toku v rámci virtuálního okruhu.

Architektura ATM sestává ze tří vrstev:

- fyzická vrstva ATM pracuje se sledem bitů a slouží k oddělení vlivu

přenosového média na operaci s buňkami, typy fyzického přenosového prostředku a

přenosové rychlosti jsou velmi různorodé v rámci ATM, od 1,5/2 Mb/s přes 155

Mb/s po 622 Mb/s (vyšší rychlosti se testují);

- vrstva ATM je zcela nezávislá na přenosovém médiu a je založena na předem

určených virtuálních kanálech (Virtual Channel, VC) a virtuálních cestách

(Virtual Path, VP), tj. svazcích virtuálních kanálů. Kombinace virtuálních

kanálů a cest se využívá pro směrování jednotlivých buněk sítí prostřednictvím

dvojice jejich identifikátorů VCI/VPI (Virtual Channel Identifier/Virtual Path

Identifier). Kromě „překladu“ identifikátorů virtuálních cest a kanálů se

vrstva ATM stará o multiplexování a demultiplexování, formátování buněk do 53

bitů délky a jejich řazení ve správném pořadí. Protokol vrstvy ATM nerealizuje

potvrzování ani opravu chyb či řízení toku (s výjimkou řízení toku mezi

uživatelem a sítí), protože se spoléhá na kvalitní, bezpečné a spolehlivé

přenosové prostředky. Pokud dojde ke ztrátě nebo znehodnocení buňky přenosem,

musí se o její opětovný přenos postarat protokoly vyšších vrstev;

- adaptační vrstva ATM (ATM Adaptation Layer, AAL) je zodpovědná za rozhraní

mezi ATM a vyššími protokoly. Rozeznává se pět typů AAL, jejichž souvislost s

charakterem a poskytovanými službami je naznačena v tabulce: Typy služeb ATM

poskytovaných adaptačními vrstvami ATM.

ATM se často srovnává s gigabitovým Ethernetem z hlediska uplatnění v lokálním

prostředí. Výkonnostně si sice tyto dva typy sítí vcelku odpovídají, ale jejich

určení bylo odlišné. Gigabitový Ethernet kvůli svým topologickým omezením je

výlučně lokální záležitost, zatímco ATM je naopak především technologie

rozlehlých sítí, i když se všemi „doplňky“ na podporu komunikace lokálních sítí

se snaží o průnik do lokálního prostředí; podobně je tomu u gigabitového

Ethernetu, ale obráceným směrem. I když se na první pohled může zdát, že je

výhodnější využít jednu technologii, která je schopná v lokálním i rozlehlém

prostředí, nemusí tomu tak být. Lokální sítě a sítě rozlehlé mají jiný

charakter, jiný účel i jinou cenovou politiku. Jakékoli přizpůsobování

technologie pro „cizí“ prostředí s sebou nese určité nevýhody: potřebu dalších

protokolů a mechanismů, nutnost zásahu do hardwaru i softwaru koncových

uživatelů, potřebu zaškolování, to vše za příslušnou cenu navíc. Zatím žádná ze

zmíněných technologií nezvítězila na plné čáře, protože se ještě vyvíjejí a

každá má své „skalní“ příznivce.

Zatím jsme se věnovali základům lokálních a rozlehlých sítí, v dalším dílu

spojíme znalosti principů práce jednotlivých typů sítí s nejrozšířenější

síťovou architekturou ve světě, a to TCP/IP.

Autorkou seriálu o sítích je Ing. Rita Pužmanová, CSc., specialistka na

propojování komunikačních sítí (rita@ieee.org).

Výhody X.25

nejstarší, ověřená veřejná paketová síť

dostupná (geograficky i cenově)

poplatky za navázaná spojení

vysoká spolehlivost

Nevýhody x.25

nízká rychlost, vysoké zpoždění

neodpovídá integraci dat a multimediálních informací

možnost zahlcení sítě při velkém počtu účastníků

odlišnosti sítí podle různých verzí doporučení

Výhody frame relay

dobrá výkonnost (nízká režie přenosu), přenos dat ve shlucích vysokou rychlostí

schopnost přizpůsobit šířku pásma a výkonnost na vyžádání až do přístupové

rychlosti, a to asymetricky

cenová politika u veřejných sítí (podle požadované a garantované šířky pásma,

bez ohledu na vzdálenost přenosu)

šířka pásma na vyžádání (BoD)

pružná topologie (rozšíření sítě, správa)

Nevýhody frame relay

přenos rámců proměnné délky implicitně nepodporuje přenos informací citlivých

na zpoždění

Seznam použitých zkratek

ABM Asynchronous Balanced Mode

ANSI American National Standards Institute

ATM Asynchronous Transfer Mode

BoD Bandwidth on Demand

AAL ATM Adaptation Layer

CBDS Connectionless Broadband Data Service

CCITT viz ITU-T

CSLIP Compressed Serial Line Internet Protocol

DCE Data Circuit-Terminating Equipment

DTE Data Terminal Equipment

ETSI European Telecommunications Standards Institute

ETS European Telecommunications Standard

FECN Forward Explicit Congestion Notification

CIR Committed Information Rate

BECN Backward Explicit Congestion Notification

HDLC High Data Link Control

IEC International Electrotechnical Commission

IETF Internet Engineering Task Force

ISDN Integrated Services Digital Network

ISO International Organization for Standardization

ITU-T International Telecommunications Union Telecommunications sector

LAPB Link Access Procedure Balanced

LAPF Link Access Procedure Frame relay

LCP Link Control Protocol

NCP Network Control Protocol

NNI Network to Network Interface

PPP Point-to-Point Protocol

PSTN Public Switched Telephone Network

PVC Permanent Virtual Circuit

RFC Request For Comment

SDLC Synchronous Data Link Control

SLIP Serial Line Internet Protocol

SMDS Switched Multimegabit Data Service

SVC Switched Virtual Circuit

UNI User to Network Interface

VC Virtual Channel

VCI/VPI Virtual Channel Identifier/Virtual Path Identifier

VoFR Voice over Frame Relay

VP Virtual Path

WAN Wide Area Network

Výhody atm

(garantovaná) šířka pásma na přání

integrace původních síťových struktur

pružnost, rozsah a škálovatelnost

přenosová podpora všech typů informací (data, hlas, obraz, multimédia)

adaptace jak pro WAN, tak LAN (LANE)

zabezpečení

Nevýhody atm

složitá technologie

vysoké náklady (zejména pro koncové řešení ATM v lokální síti)

pouze střední odolnost vůči chybám

Zdroje WWW

ANSI – (American National Standards Institute) www.ansi.org

ETSI – (European Telecommunications Standards Institute)www.etsi.org

IEC – (International Electrotechnical Commission)www.iec.ch

IETF – (Internet Engineering Task Force) www.ietf.org

ISO – (International Organization for Standardization)www.iso.ch

ITU-T(International Telecommunications UnionTelecommunications standardization

sector)www.itu.int

ATM Forum – www.atmforum.com

FRF – (Frame Relay Forum) www.frforum.com