Глобальные сети: Сети X.25

Для эффективной передачи компьютерного трафика была специально разработана техника коммутации пакетов. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1 : 50 или даже 1 : 100. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т.п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжают заголовком, в котором указана адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использован узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге — узлу назначения. Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, когда выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом. Конечно, для пары абонентов наиболее эффективно было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе продолжительность взаимодействия этой пары абонентов была бы минимальной, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента к другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно решить свою собственную задачу Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее. Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при коммутации пакетов выше, чем при коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа — он может быть равным 1 : 10 или даже 1 : 2.

Сеть коммутации пакетов состоит из центров коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными каналами обмена.

Рис. 1. Сеть коммутации пакетов X.25

В сети предусмотрено преодоление отказов каналов связи между ЦКП путем обхода поврежденного участка сети. Сеть обычно формируется, функционирует и контролируется системой управления сетью, расположенной в одном из центров коммутации пакетов.

Этот стандарт основан на синхронной передаче данных. Асинхронные старт-стопные терминалы подключают к сети через так называемые пакетные адаптеры данных (ПАД). Они могут быть встроенными или удаленными. Встроенный ПАД обычно расположен в стойке ЦКП. Удаленный НАД представляет собой небольшое автономное устройство, подключенное к ЦКП через один канал связи Х.25. Один ПАД обычно обеспечивает доступ для 8, 16 или 24 асинхронных терминалов.

К основным функциям ПАД относятся:
• сборка знаков, полученных от асинхронных терминалов в пакеты;
• разборка полей данных в пакетах и вывод данных на асинхронные терминалы;
• управление процедурами установления соединения и разъединения, сброса и прерывания;
• передача знаков, включающих старт-стопные сигналы и биты проверки на четность, по требованию асинхронного терминала;
• продвижение пакетов при наличии соответствующих условий, таких, как заполнение пакета, истечение времени ожидания и др.

Прежде чем пакет будет нередан через сеть, необходимо установить соединение между исходными ООД-терминалами и компьютерами. Существует два типа соединений — коммутируемый виртуальный канал (КВК) и постоянный виртуальный канал (ПВК). КВК можно сравнить с коммутируемым каналом телефонной сети общего пользования. Для установления соединения необходимо знать сетевой номер — адрес пользователя. Рекомендация Х.121 МККТТ определяет международную систему нумерации адресов для сетей передачи данных общего пользования.

Сетевой адрес пользователя состоит из 12 десятичных цифр и 2-х необязательных цифр. Первые три цифры используются для идентификации страны, четвертая — для сети внутри страны. Цифры 4-12 представляют внутринациональный номер абонента, т. е. каждое подключение к сети имеет индивидуальный внутринациональный номер. Внутринациональный номер состоит, в свою очередь, из номера подсети, номера местной области и местного номера.

Для установки соединения по виртуальному каналу абонент посылает пакет «запрос соединения», содержащий сетевой адрес пользователя. После подтверждения соединения и осуществления передачи (приема) данных виртуальное соединение может быть ликвидировано (разъединено) путем передачи пакета «запрос разъединения». Один физический канал связи Х.25 между компьютером и сетью пакетной коммутации может поддерживать одновременно несколько КВК.

Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу в том, что не требуется устанавливать соединение или разъединение. Обмен пакетами по ПВК может происходить в любой момент времени. ПВК формируется системой управления сетью.

Рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии Х.25 включают в себя протоколы трех нижних уровней модели ISO/OSI:
• на физическом уровне определены протоколы Х.21 и Х.21 bis. Протокол физического уровня Х.21 определяет интерфейс между компьютером и цифровым каналом связи, а Х.21 bis между компьютером и аналоговым каналом (с использованием модемов);
• для канального уровня используется подмножество протокола HDLC, обеспечивающее возможность автоматической передачи в случае возникновения ошибок в линии. Предусмотрена возможность выбора из двух процедур доступа к каналу: LAP или LAPB;
• на сетевом уровне определен протокол Х.25/3 обмена пакетами между оконечным оборудованием и сетью передачи данных.

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу кадров данных между соседними узлами сети Х.25. Это протокол с установлением соединения, контролем ошибок и повторными передачами кадров в случае искажений данных или потери кадров.

Линейные процедуры типа HDLC основаны на передаче чисто двоичных потоков данных, при этом возникают проблемы, связанные с синхронизацией и.определением начала и конца сообщения.

Упаковка, в которой транспортируется сообщение согласно процедуре HDLC, называется кадром, формат которого представлен на рисунке.

Рис. 2. Формат кадра HDLC: М метка; А — адрес; У — управление; И — информация; ППК — проверочная последовательность кадра 

В системах посимвольной передачи имеются отдельные управляющие символы для идентификации начала заголовка (НЗ), начала текста (НТ), конца текста (КТ) и т. д. В двоичных системах передачи таких символов нет, поэтому был предложен метод, состоящий в применении особой комбинации бит для определения начала и окончания сообщения, которая одновременно является комбинацией кадровой синхронизации. Данная комбинация называется меткой и состоит из последовательности 01111110. Из рисунке видно, что сообщение вместе с проверочной последовательностью кадров (контроль посредством циклического избыточного ряда) обрамлено двумя метками.

Рис. 3. Типичное звено передачи данных

Звено передачи данных, как показано на рис. 3, состоит из ЭВМ и связного процессора, подключенного через линию связи к другому связному процессору и ЭВМ. Передающая ЭВМ посылает сообщение в связной процессор, который вычисляет ППК и вставляет метки по обеим сторонам сообщения с ППК. Поскольку само сообщение может содержать комбинацию бит, подобную метке, необходимо, чтобы передаваемые по линии данные не содержали такой информации.

Этого достигают с помощью приема, известного как «вставка нулей» (иногда называемого «вставка бит»). Связной процессор на передающем конце просматривает биты между метками до их поступления в линию. Если он обнаруживает пять последовательных единиц, то вставляет нуль после пятой единицы. Это предотвращает появление в линии двоичной комбинации из шести последовательных единиц, которую ошибочно можно было бы принять за метку. Если в ЭВМ в информационном поле формируется комбинация 111111, то в линию она поступает в виде 1111101. Аналогично, если информационная комбинация состоит из 1111101, то связной процессор вставит дополнительный нуль после пяти единиц, и данные в линии будут иметь вид 11111001. На приемном конце связной процессор, получая шесть единиц подряд, воспринимает их как метку; если же он получает пять единиц, за которыми следует нуль, то процессор «поймет», что нуль был вставлен, «выдернет» его и, таким образом, восстановит первоначальную последовательность. Это означает, что входящий поток данных 11111001 будет выдан в виде 1111101. Это простой, но эффективный способ организации потока двоичных данных.

Процесс передачи данных состоит из трех фаз: установки соединения, передачи данных, разрыва соединения.

Фаза установки соединения происходит следующим образом. Запрашивающий соединение узел передает в сеть управляющий пакет «запрос соединения», содержащий адреса обоих узлов, которые требуется соединить. Кроме того, в пакете могут указываться условия обслуживания: необходимые дополнительные средства (программы, устройства) и до 16 байт данных абонента-отправителя. Вызываемый абонент может не принять запрос на соединение. В этом случае он передает пакет «запрос разъединения», в котором в качестве причи-
ны разъединения может быть указано, например, «номер занят». Если сеть не может установить соединение с вызываемым абонентом, то вызывающему абоненту посылается пакет «указание разъединения», содержащий причину разъединения: нереализуемый вызов, номер занят, неразрешенный вызов, перегрузка сети и т. п. Если вызываемый абонент принимает запрос на соединение, то он передает пакет «согласие на соединение», после чего сеть посылает вызывающему соединению пакет «подтверждение соединения». Этим заканчивается фаза установления соединения между абонентами. Начиная устанавливать соединения, вызывающий абонент запускает таймер. Если в течение тайм-аута не поступил пакет «подтверждения соединения», то абонент передает пакет «запрос разъединения», после чего процедура установления соединения может повторяться.

После установления соединения может начинаться фаза передачи пакетов данных. Протокол Х.25 допускает использование следующих максимальных значений длины поля данных: 16, 32, 64, 128, 256, 512 и 1024 байта. Предпочтительной является длина 128 байт. Пакеты данных циклически нумеруются от 0 до 7 или от 0 до 127. В заголовке пакета помещаются два номера: порядковый номер передачи и порядковый номер приема. Порядковый номер передачи необходим для обеспечения последовательной транспортировки данных по виртуальному каналу, обнаружения потерь пакетов и для управления интенсивностью поступления пакетов в сеть передачи данных.

Номер приема пакета используется как квитанция, подтверждающая прием пакетов адресатом и разрешающая передачу последующих пакетов в сеть передачи данных. Если имеется поток пакетов только в одном направлении, то разрешения на передачу последующих пакетов передаются в виде специальных управляющих пакетов «готов к приему». Если узел временно не может принимать пакеты данных по некоторому виртуальному каналу, то он передает управляющий пакет «не готов к приему». В заголовке пакета данных имеется специальный разряд, принимающий значение 1, когда пакет является промежуточным, и 0 — когда пакет является последним в данной последовательности.

Для управления потоком пакетов в протоколе Х.25 реализован так называемый механизм окна. Согласно ему фиксируется максимальное число n последовательно пронумерованных пакетов, которые разрешается передать без получения подтверждения об их приеме от адресата. Величину n называют размером окна. Размер окна не может превосходить максимального номера пакета (7 или 127).

Для сброса всех постоянных и временных виртуальных соединений, установленных с абонентом, используется процедура рестарта,
инициируемая абонентом с помощью пакета «запрос рестарта» и сетью с помощью пакета «указание рестарта». При этом происходит разрыв соединения, относящегося ко всем виртуальным каналам абонента, и стираются все пакеты, передаваемые через эти соединения.

Для передачи срочных данных используются ненумерованные пакеты «прерывание от сети» и «прерывание от абонента», несущие в себе один байт данных о причине прерывания. Эти пакеты доставляются получателю независимо от состояния передачи нумерованных пакетов даже тогда, когда пакеты данных не принимаются. Получение этих пакетов подтверждается соответствующими пакетами-квитанциями. По окончании передачи постоянные виртуальные каналы закрываются.

Коммутируемые виртуальные каналы не назначаются постоянно, они используются только на время соединения и становятся доступными для повторного использования после разъединения.

Итак, сети Х.25 относятся к одной из наиболее старых и отработанных технологий глобальных сетей. Трехуровневый стек протоколов сетей Х.25 хорошо работает на ненадежных зашумленных каналах связи, исправляя ошибки и управляя потоком данных, на канальном и сетевом уровнях.

На надежных волоконно-оптических каналах технология Х.25 становится избыточной и неэффективной, так как значительная часть работы ее протоколов ведется «вхолостую».