Книга Скотта Шорта посвящена построению и применению Web-сервисов средствами платформы Microsoft .NET. Подробно рассматриваются интернет-технологии ASP.NET и Remoting, DISCO, UDDI, протокол SOAP, языки XML, WSDL, и их роль в разработке Web-сервисов. Приводятся сведения о новейших разработках корпорации Microsoft, облегчающих создание и распространение Web-сервисов. Обсуждаются эффективные способы отладки Web-сервисов, защиты передаваемой информации и обеспечение масштабируемости и повышенной готовности Web-сервисов.

Весь материал снабжен большим количеством примеров. Полный исходный код всех примеров помещен на сопутствующий CD-ROM.

Сегодня XML может использоваться в любых приложениях, которым нужна структурированная информация - от сложных геоинформационных систем, с гигантскими объемами передаваемой информации до обычных "однокомпьютерных" программ, использующих этот язык для описания служебной информации. При внимательном взгляде на окружающий нас информационный мир можно выделить множество задач, связанных с созданием и обработкой структурированной информации, для решения которых может использоваться XML:

В первую очередь, эта технология может оказаться полезной для разработчиков сложных информационных систем, с большим количеством приложений, связанных потоками информации самой различной структурой. В этом случае XML - документы выполняют роль универсального формата для обмена информацией между отдельными компонентами большой программы.
XML является базовым стандартом для нового языка описания ресурсов, RDF, позволяющего упростить многие проблемы в Web, связанные с поиском нужной информации, обеспечением контроля за содержимым сетевых ресурсов, создания электронных библиотек и т.д.

Язык XML позволяет описывать данные произвольного типа и используется для представления специализированной информации, например химических, математических, физических формул, медицинских рецептов, нотных записей, и т.д. Это означает, что XML может служить мощным дополнением к HTML для распространения в Web "нестандартной" информации. Возможно, в самом ближайшем будущем XML полностью заменит собой HTML, по крайней мере, первые попытки интеграции этих двух языков уже делаются (спецификация XHTML).
XML-документы могут использоваться в качестве промежуточного формата данных в трехзвенных системах. Обычно схема взаимодействия между серверами приложений и баз данных зависит от конкретной СУБД и диалекта SQL, используемого для доступа к данным. Если же результаты запроса будут представлены в некотором универсальном текстовом формате, то звено СУБД, как таковое, станет "прозрачным" для приложения. Кроме того, сегодня на рассмотрение W3C предложена спецификация нового языка запросов к базам данных XQL, который в будущем может стать альтернативой SQL.
Информация, содержащаяся в XML-документах, может изменяться, передаваться на машину клиента и обновляться по частям. Разрабатываемые спецификации XLink и Xpointer поволят ссылаться на отдельные элементы документа, c учетом их вложенности и значений атрибутов.
Использование стилевых таблиц (XSL) позволяет обеспечить независимое от конкретного устройства вывода отображение XML- документов.
XML может использоваться в обычных приложениях для хранения и обработки структурированных данных в едином формате.

Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.

В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.

Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.

Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:

* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.

Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).

Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.


Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.

Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.

Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.

Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.

Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).

В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.

Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.

Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.


При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).

Централизованное управление в сети с топологией шина

Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина

Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.

Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.

Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.

Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.

Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.

Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.

Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.

Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.

* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.

Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.

В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.

Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.

При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.

В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.

Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.

Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.

Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.

Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.

При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.

Расчет минимальной длительности пакета

Рис. 4.12. Расчет минимальной длительности пакета

Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.

После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.

Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.

Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.

Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.

Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.

Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).

Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.


Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.

В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.

Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.

Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.


Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)

По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:

1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.

Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.

В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.

Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.

Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.

Применение маркерного метода управления в шине

Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине

Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.


Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.

Локальная сеть, как уже отмечалось, должна обеспечивать качественную, прозрачную связь всем абонентам (компьютерам) сети. Важнейшим параметром является так называемое время доступа к сети (access time), которое определяется как временной интервал между моментом готовности абонента к передаче (когда ему есть, что передавать) и моментом начала этой передачи. Это время ожидания абонентом начала своей передачи. Естественно, оно не должно быть слишком большим, иначе величина реальной, интегральной скорости передачи информации между приложениями сильно уменьшится даже при высокоскоростной связи.

Ожидание начала передачи связано с тем, что в сети не может происходить несколько передач одновременно (во всяком случае, при топологиях шина и кольцо). Всегда есть только один передатчик и один приемник (реже – несколько приемников). В противном случае информация от разных передатчиков смешивается и искажается. В связи с этим абоненты передают свою информацию по очереди. И каждому абоненту, прежде чем начать передачу, надо дождаться своей очереди. Вот это время ожидания своей очереди и есть время доступа.

Если бы вся требуемая информация передавалась каким-то абонентом сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети этим абонентом на довольно продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации, что в ряде случаев могло бы потребовать десятков секунд и даже минут (например, при копировании содержимого целого жесткого диска). С тем чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также сделать примерно одинаковыми для всех них величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации, как раз и применяются пакеты (кадры) ограниченной длины. Важно также и то, что при передаче больших массивов информации вероятность ошибки из-за помех и сбоев довольно высока. Например, при характерной для локальных сетей величине вероятности одиночной ошибки в 10-8пакет длиной 10 Кбит будет искажен с вероятностью 10-4, а массив длиной 10 Мбит – уже с вероятностью 10-1. К тому же выявить ошибку в массиве из нескольких мегабайт намного сложнее, чем в пакете из нескольких килобайт. А при обнаружении ошибки придется повторить передачу всего большого массива. Но и при повторной передаче большого массива снова высока вероятность ошибки, и процесс этот при слишком большом массиве может повторяться до бесконечности.

С другой стороны, сравнительно большие пакеты имеют преимущества перед очень маленькими пакетами, например, перед побайтовой (8 бит) или пословной (16 бит или 32 бита) передачей информации.

Дело в том, что каждый пакет помимо собственно данных, которые требуется передать, должен содержать некоторое количество служебной информации. Прежде всего, это адресная информация, которая определяет, от кого и кому передается данный пакет (как на почтовом конверте – адреса получателя и отправителя). Если порция передаваемых данных будет очень маленькой (например, несколько байт), то доля служебной информации станет непозволительно высокой, что резко снизит интегральную скорость обмена информацией по сети.

Существует некоторая оптимальная длина пакета (или оптимальный диапазон длин пакетов), при которой средняя скорость обмена информацией по сети будет максимальна. Эта длина не является неизменной величиной, она зависит от уровня помех, метода управления обменом, количества абонентов сети, характера передаваемой информации, и от многих других факторов. Имеется диапазон длин, который близок к оптимуму.

Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов, каждый из которых содержит информацию, передаваемую от абонента к абоненту.

Передача пакетов в сети между двумя абонентами

Рис. 4.1. Передача пакетов в сети между двумя абонентами

В частном случае (рис. 4.1) все эти пакеты могут передаваться одним абонентом (когда другие абоненты не хотят передавать). Но обычно в сети чередуются пакеты, посланные разными абонентами (рис. 4.2).

Передача пакетов в сети между несколькими абонентами

Рис. 4.2. Передача пакетов в сети между несколькими абонентами

Структура и размеры пакета в каждой сети жестко определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации. Кроме того, эти параметры зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).

Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым локальным сетям.

Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 4.3):

Типичная структура пакета

Рис. 4.3. Типичная структура пакета

* Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к единственному стартовому биту.
* Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно (при широком вещании).
* Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный номер, присвоенный каждому передающему абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.
* Служебная информация, которая может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.
* Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и определяет полную длину пакета. Существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.
* Контрольная сумма пакета – это числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу. Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC). Подробнее об этом рассказано в главе 7.
* Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета.

Вложение кадра в пакет

Рис. 4.4. Вложение кадра в пакет

Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:

* Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.
* Поле данных пакета.
* Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также, возможно, служебная информация.

Как уже упоминалось, помимо термина "пакет" (packet) в литературе также нередко встречается термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет различаются. Причем единства в объяснении этих различий не наблюдается.

В некоторых источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой комбинации относятся к кадру (рис. 4.4). Например, в описаниях сети Ethernet говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.

В других, напротив, поддерживается мнение о том, что пакет вложен в кадр. И тогда под пакетом подразумевается только информация, содержащаяся в кадре, который передается по сети и снабжен служебными полями.

Во избежание путаницы, в данной книге термин "пакет" будет использоваться как более понятный и универсальный.

В процессе сеанса обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена. Это позволяет обеспечить надежную передачу информации при любой интенсивности обмена по сети.

Пример простейшего протокола показан на рис. 4.5.

Пример обмена пакетами при сеансе связи

Рис. 4.5. Пример обмена пакетами при сеансе связи

Сеанс обмена начинается с запроса передатчиком готовности приемника принять данные. Для этого используется управляющий пакет "Запрос". Если приемник не готов, он отказывается от сеанса специальным управляющим пакетом. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет "Готовность". Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный информационный пакет приемник отвечает управляющим пакетом "Подтверждение". В случае, когда пакет данных передан с ошибками, в ответ на него приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом "Конец", которым передатчик сообщает о разрыве связи. Существует множество стандартных протоколов, которые используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой пакета), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета). Подробнее о протоколах обмена будет рассказано в следующей главе.

При реальном обмене по сети применяются многоуровневые протоколы, каждый из уровней которых предполагает свою структуру пакета (адресацию, управляющую информацию, формат данных и т.д.). Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с такими понятиями, как файл-сервер или приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все пакеты более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 4.6). Этот процесс последовательной упаковки данных для передачи называется также инкапсуляцией пакетов.

Многоуровневая система вложения пакетов

Рис. 4.6. Многоуровневая система вложения пакетов

Каждый следующий вкладываемый пакет может содержать собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после них (трейлер), причем ее назначение может быть различным. Безусловно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Для увеличения этой скорости предпочтительнее, чтобы протоколы обмена были проще, и уровней этих протоколов было меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.

Обратный процесс последовательной распаковки данных приемником называется декапсуляцией пакетов.

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно.



Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.

В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.

Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.

Определение начала и конца приема при коде RZ

Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).

Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.

Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).

Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Манчестерский код

Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).

Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.

Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).

Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.

Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).

Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.

Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования.

Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).



Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.

Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM.

Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического манчестерского кода, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).

Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.

Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).



Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.

Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации. Например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).

Так, например, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Но зато требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.

В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.

Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.

Коды NRZI и MLT-3

Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3

Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).

Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.

Все упомянутые в данном разделе коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов.

Однако иногда в сетях используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).

К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):

* Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной. Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ-сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.

Аналоговое кодирование цифровой информации

Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации

* Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.
* Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.

Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.

Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле. Модуляция высокочастотных сигналов применяется в основном в бескабельных сетях, в радиоканалах. В кабельных сетях передача идет без модуляции или, как еще говорят, в основной полосе частот.

Правильный выбор кода позволяет повысить достоверность передачи информации, увеличить скорость передачи или снизить требования к выбору кабеля. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода напрямую зависит также сложность сетевой аппаратуры (узлы кодирования и декодирования кода). Код должен в идеале обеспечивать хорошую синхронизацию приема, низкий уровень ошибок, работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей.

Некоторые коды, используемые в локальных сетях, показаны на рис. 3.8. Далее будут рассмотрены их преимущества и недостатки.

Наиболее распространенные коды передачи информации

Рис. 3.8. Наиболее распространенные коды передачи информации
Код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально). Уровни могут быть разной полярности (положительной и отрицательной) или же одной полярности (положительной или отрицательной). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит.

К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 3.9).

Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ

Рис. 3.9. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ

Передача в коде NRZ с синхросигналом

Рис. 3.10. Передача в коде NRZ с синхросигналом

Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю.

Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 3.10). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно.

В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита).

Большой недостаток кода NRZ состоит еще и в том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (рис. 3.11).

Определение окончания последовательности при коде NRZ

Рис. 3.11. Определение окончания последовательности при коде NRZ

Наиболее известное применение кода NRZ – это стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.

Три остальных кода (RZ, манчестерский код, бифазный код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Отслеживая фронты сигналов, приемник может точно синхронизовать прием каждого бита. В результате небольшие расхождения часов приемника и передатчика уже не имеют значения. Приемник может надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися. Можно считать, что самосинхронизирующиеся коды несут в себе синхросигнал.

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.

Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.

Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать перемещаясь по зданию.

Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 2.7 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.

Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi


Рис. 2.7. Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi

Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.

Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.

Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).

Инфракрасные каналы делятся на две группы:

* Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Зато протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
* Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не помеха, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.

Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.


Рис. 2.4. Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.4). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.

Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

* многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
* одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Распространение света в одномодовом кабеле


Рис. 2.5. Распространение света в одномодовом кабеле

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2.5). Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.

Распространение света в многомодовом кабеле


Рис. 2.6. Распространение света в многомодовом кабеле

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 2.6). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.

Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.

GPRS (General Packet Radio Service) - это новая перспективная технология, стандартизация которой началась в 1993 году в European Telecommunication Standards Institute (http://www.etsi.org/), позволяющая работать в сети Internet, используя обычный мобильный телефон. С помощью GPRS, пользователи могут работать со своей электронной почтой, с обычными Web-серверами (а не со специальными WAP-версиями) и т.д. Основное достоинство GPRS-сетей состоит в том, что пользователь оплачивает только объем передаваемой/получаемой информации, а не время нахождения в сети.

---

До разработки технологии GPRS (http://www.gsmworld.com/technology/gprs/index.shtml), абонент оплачивал все время соединения независимо от того, использовал он установленный канал передачи данных. Иными словами, ресурсы сети задействованы только во время непосредственной передачи данных от телефона. Во время пауз (например, просмотр полученной электронной почты) ресурсы сети предоставляются в распоряжение других абонентов. Кроме того, технология GPRS является промежуточным этапом при переходе от сетей 2 поколения (GSM) к 3-му (UMTS). В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с - это почти в 12 раз быстрее работы передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 Кбит/с). Однако на данный момент скорости не так высоки - обычно 30-40 Кбит/с. В настоящее время три крупнейших сотовых сети России (МТС, БиЛайн, Мегафон) предлагают своим абонентам услуги GPRS. Потенциальное число абонентов технологии GPRS в России - 17,8 миллионов человек, именно такое количество абонентов сотовой связи насчитывалось в России к концу 2002 года. Реальное же число желающих воспользоваться преимуществами этой технологии пока не так велико. В частности, к началу декабря 2002 года в БиЛайне, пионере GPRS в России, насчитывалось всего 25000 абонентов.

Архитектура GPRS

Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то технология работы GPRS выглядит следующим образом. Архитектура GPRS расширяет стандартные компоненты GSM новыми или обновленными элементами. В целом, таких элементов всего 4, из которых только 2 не были известны в технологии GSM.

Мобильная станция

MS (mobile station) - это мобильная станция, в качестве которой может выступать переносной или карманный компьютер, мобильный телефон или иное устройство, поддерживающее технологию GPRS. Функционально данный элемент состоит из 2-х компонентов, которые могут быть выполнены как в виде единого устройства (например, мобильный телефон Sony Ericsson T68i), так и в виде самостоятельных устройств:

терминальное оборудование (terminal equipment, TE), например, переносной компьютер;

мобильный терминал (mobile terminal, MT), например, модем.

В зависимости от типа оборудования и возможностей сети данная станция может работать в одном из 3-х режимов работы:

Класс A - позволяет мобильной станции в одно и то же время передавать как данные, так и голос, т.е. одновременно работать в GSM- и GPRS-сетях.

Класс B - позволяет мобильной станции передавать и данные и голос, но в разные моменты времени, т.е. не одновременно.

Класс C - позволяет мобильной станции работать только в режиме GPRS.

При подключении к сети GPRS, мобильная станция (а точнее элемент TE) получает IP-адрес, который не меняется до момента отключения мобильного терминала (MT); больше того, мобильная станция может даже и не "подозревать" о том, что она является мобильной. Мобильная станция устанавливает соединение с узлом обслуживания абонентов GPRS, описываемым далее.

Базовая станция

BSS (base station system) - это базовая станция, которая принимает радиосигнал от мобильной станции и, в зависимости от того, что передается (голос или данные), транслирует трафик:

на центр коммутации (mobile switching center, MSC), являющийся стандартным элементом сети GSM, или на узел SGSN, отвечающий за обработку входящих/исходящих данных GPRS.

Узел обслуживания абонентов GPRS

Обслуживающий узел (serving GPRS support node, SGSN) является основным компонентом GPRS-сети. Он транслирует IP-пакеты, посылаемые/получаемые мобильной станцией. По своей сути, это такой же центр коммутации, как и MSC в GSM, но в отличие от последнего, он коммутирует пакеты, а не каналы. Как правило, такой узел построен на базе ОС Unix и имеет свой IP-адрес. С точки зрения безопасности, на SGSN возложены функции:

Проверки разрешений абонентов на пользование запрашиваемых услуг (аутентификация). Механизм аутентификации GPRS совпадает с аналогичным механизмом в GSM.

Мониторинг активных абонентов.

Регистрация новых абонентов.

Шифрование данных. Алгоритм шифрования в технологии GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) отличаются от алгоритмов шифрования в GSM (A5/1, A5/2, A5/3), но разработаны на их основе.

Узел маршрутизации GPRS

Узел маршрутизации (gateway GPRS support node, GGSN), также является важнейшим элементом технологии GPRS и отвечает за прием/передачу данных из внешних сетей, например, Internet или GPRS-сети другого оператора связи. С точки зрения внешней сети GGSN - это обычный маршрутизатор (как и SGSN, построенный на базе Unix), который принимает данные для всех подписчиков услуг GPRS. Помимо маршрутизации, GGSN отвечает за выдачу IP-адресов и тарификацию услуг.

Другие элементы GPRS-сети

Home Location Register (HLR) - это реестр собственных абонентов сети, которая хранит информацию о каждом человеке, оплатившем услуги оператора GPRS именно данной сети. В частности, HLR хранит информацию о дополнительных услугах, параметрах аутентификации, IP-адресе и т.д. Обмен данной информацией происходит между HLR и SGSN.

Visitor Location Register (VLR) - это реестр перемещений, которая хранит информацию о каждой мобильной станции, находящейся в данный момент в зоне действия SGSN. В VLR хранится та же информация об абоненте, что и в HLR, но только до тех пор, пока абонент не покинет географическую зону, обслуживаемую этим реестром перемещений.

Equipment Identity Register (EIR) - это реестр идентификационных данных оборудования, который содержит информацию, позволяющую блокировать вызовы от украденных, мошеннических или иных неавторизованных устройств.

Механизмы безопасности GPRS

Если посмотреть внимание на рис.1, то можно выделить следующие фрагменты GPRS-сети, на безопасность которых необходимо обратить соответствующее внимание:

безопасность мобильной станции

безопасность соединения между мобильной станцией и узлом обслуживания SGSN

безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

безопасность данных в процессе их передачи между различными операторами GPRS-услуг

безопасность данных в процессе их передачи в сети открытого доступа, например, Internet.

Безопасность мобильной станции

Наибольший интерес вызывает безопасность мобильного телефона, который в терминах GPRS является мобильной станцией. Его безопасность складывается из двух составляющих:

SIM-карта

сам телефон

SIM-карта (Subscriber Identity Module) - это модуль идентификации абонента. В SIM-карте содержится информация о сервисах, предоставляемых абоненту, независимая от типа используемого мобильного оборудования. Эта карта может вставляться в любой другой GSM терминал, при этом абонент получает возможность использовать этот терминал для получения всех сервисов системы, на которые он подписан. С точки зрения безопасности SIM-карта отвечает за идентификацию абонента и аутентификацию мобильного телефона в GPRS-сети. Она содержит идентификатор IMSI, индивидуальный ключ аутентификации абонента длиной 128 бит Ki, алгоритм генерации ключей шифрования A8 и алгоритм аутентификации A3 и разумеется PIN-код для доступа к функциям карты. Алгоритм A5 наряду с IMEI включен в состав программного обеспечения телефона и обеспечивает его защиту. Каждый абонент в GPRS-сети имеет уникальный международный идентификатор мобильного абонента (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), хранимый в SIM-карте. IMSI состоит из 3 элементов:

трехразрядный код страны (для России - 250)

двухразрядный код сети (для МТС - 01, для Билайн - 99, для СМАРТС - 07 и т.д.)

десятиразрядный код абонента (Mobile Subscriber Identity Number, MSIN).

[pagebreak]

Алгоритм A8 отвечает за генерацию ключей шифрования, который, используя случайное число, передаваемое на мобильный терминал в момент соединения с сетью, и ключ Ki генерит 64-битный ключ шифрования трафика. Так как индивидуальный ключ Ki имеется не только у абонента, но и хранится в реестрах HLR и VLR, то и абонент и оборудование сети создают одинаковый ключ шифрования, который и используется для защиты передаваемых данных.

Алгоритм A3, отвечающий за аутентификацию абонента, похож на алгоритм A8 и также использует случайное число, получаемое в момент подключения к сети и индивидуальный ключ абонента. Для доступа к функциям SIM-карты необходимо использовать специальный персональный код (другими словами, пароль) PIN (Personal Identification Number), после 3-х неправильных попыток ввода которого, SIM-карта блокируется.

Безопасность самого телефона, как уже было сказано выше, обеспечивается двумя механизмами:

алгоритмом шифрования A5, который обеспечивает защиту данных, циркулируемых между мобильной станцией и узлом SGSN.

Уникальным 14-тиразрядным международным идентификатором аппаратуры мобильной связи (International Mobile Equipment Identity, IMEI), который однозначно идентифицирует телефон. Узнать этот номер очень просто - достаточно набрать на телефоне комбинацию *#06#. Если высвеченное число не совпадает с тем, что указано на задней крышке телефона, то вероятнее всего вы пользуетесь взломанным аппаратом. Именно эти номера хранятся в реестре EIR. Данный реестр ведет три типа списков IMEI:

"белый" список, содержащий идентификаторы всех разрешенных аппаратов.

"серый" список, содержащий идентификаторы всех незапрещенных аппаратов, но используемых для различных целей, например, тестирования и т.п.

"черный" список, содержащий идентификаторы всех запрещенных аппаратов. Как заявил в одном из интервью вице-президент МТС (http://www.mts.ru/press/speech9.html) Михаил Сусов "Сейчас между операторами (в России - А.Л.) проводятся переговоры о создании единого "черного списка" краденых телефонов".

Надо понимать, что идентификаторы IMEI и IMSI - независимы между собой. Более того - они решают различные задачи: IMEI идентифицирует мобильный терминал, а IMSI - абонента.

Безопасность соединения мобильной станции с узлом SGSN

В процессе подключения мобильной станции, описываемом далее, между ней и узлом SGSN происходит выбор версии используемого в дальнейшем алгоритма шифрования GPRS-A5. В 3-м квартале 2002 года началось внедрение третьей версии этого алгоритма (A5/3), которая может использоваться не только в GSM-, но и в GPRS-, HSCSD- и EDGE-сетях. Данный алгоритм разработан на базе алгоритма "Казуми" (Kasumi), в свою очередь разработанного на базе алгоритма MISTY компании Мицубиси. Как утверждается в пресс-релизе Ассоциации GSM (http://www.gsmworld.com/news/press_2002/press_15.shtml), A5/3 обеспечивает на сегодняшний день практически 100-процентную защиту передаваемых данных. Однако не стоить безоглядно верить этому утверждению. Аналогичные заявления делались и для предыдущих версий алгоритма A5, история которого начинается с 1987 года, однако они были успешно взломаны.

В сетях GPRS используются алгоритмы семейства A5 - GEA1 и GEA2, а после разработки A5/3 - начинается внедрение созданного на его базе алгоритма GEA3.

Безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

Все данные между узлами поддержки (SGSN и GGSN) передаются с помощью специального протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol), который инкапсулирует в себя любые пользовательские протоколы, например, HTTP, Telnet, FTP и т.д. По умолчанию GTP-трафик не шифруется. Кроме того, опорная сеть строится на базе частных IP-адресов, описанных в RFC 1918 (http://www.ietf.org/rfc/rfc1918.txt), что обеспечивает невозможность прямого доступа к сетевому оборудованию из внешних сетей.

Безопасность в процессе взаимодействия с различными операторами GPRS-услуг

Безопасность возлагается на устройства, называемые пограничными шлюзами (border gateway, BG), которые очень похожи на обычные межсетевые экраны, защищающие корпоративные сети от посягательств злоумышленников. В частности, этот шлюз защищает оператора от атак, связанных с подменой адреса (IP Spoofing).

Настройка такого шлюза включает в себя создание правил, разрешающих входящий/исходящий пользовательский трафик, данные биллинговой системы, аутентификацию роуминговых абонентов и т.п. Дополнительно на пограничный шлюз может быть установлено программное обеспечение, организующее VPN между различными GPRS-операторами.

Помимо встроенных в пограничный шлюз защитных механизмов, существует возможность использования продуктов третьих фирм. Первым таким решением стал межсетевой экран Firewall-1 GX компании CheckPoint Software (http://www.checkpoint.com/products/solutions/firewall-1gx.html), который, будучи установлен на пограничном шлюзе или узле GGSN повышает защищенность сети GPRS-оператора от возможных несанкционированных действий.

Безопасность в процессе взаимодействия с Internet

Основные механизмы безопасности реализованы на узле GGSN, в состав которого входит межсетевой экран, который определяет тип входящего и исходящего GPRS-трафика. Задача межсетевого экрана, входящего в состав GGSN, защитить мобильную станцию от атак внешних (из Internet) хакеров. Защита от атак с других мобильных станций возлагается на узел SGSN. Для предотвращения доступа к сетевому оборудованию опорной сети от внешних злоумышленников используется трансляция адресов (network address translation). Все остальные механизмы защиты могут быть взяты из классической практики обеспечения информационной безопасности Internet-сетей и устройств, например, аутентификация при помощи серверов RADIUS или защита трафика с помощью IPSec.

Процедура подключения мобильной станции

Упрощенно процесс подключения абонента, желающего воспользоваться услугами GPRS, выглядит следующим образом: Мобильная станция посылает запрос (Attach Request) на получение доступа к сети, который содержит ряд параметров, в т.ч. и IMSI.

Узел SGSN, получив такой запрос, проверяет наличие аутентифицирующей данного абонента информации в своей базе. Если такая информация отсутствует, то SGSN посылает запрос в реестр HLR, который возвращает т.н. аутентификационный триплет, содержащий:

Случайное число, используемое в алгоритмах A3 и A8 для выработки ключа шифрования и аутентификации абонента.

32-хразрядный ключ аутентификации абонента, который вырабатывается на основе индивидуального ключа, хранящегося как на мобильной станции, так и в реестре HLR.

Ключ шифрования данных, получаемый также на базе индивидуального ключа абонента.

Полученное случайное число передается на мобильную станцию, которая на его основе вырабатывает ключ шифрования и ключ аутентификации. Т.к. индивидуальные ключи, хранящиеся в реестре HLR и на мобильной станции совпадают, то и ключи шифрования и аутентификации также должны совпадать, что и является фактом правомочности запроса данным абонентом оплаченных GPRS-услуг.

После идентификации абонента осуществляется идентификация оборудования, которое посылает на SGSN идентификатор IMEI. Узел SGSN в свою очередь проводит проверку данного оборудования по реестру EIR.

После аутентификации абонента и оборудования происходит процедура определения местоположения абонента (с использованием реестров HLR и VLR), после чего происходит завершение процедуры подключения мобильной станции к сети GPRS. В том случае, если мобильная станция не смогла пройти аутентификацию, то SGSN посылает на нее сообщение Attach Reject.

Заключение

В заключение хочу добавить, что, при создании технологии GPRS (как и при создании многих современных сетевых технологий) вопросам безопасности внимания уделялось недостаточно. Многие аспекты не описаны и отданы на откуп операторам, которые далеко не всегда уделяет безопасности первостепенное внимание, что приводит к печальным последствиям. Специалистами найдено уже немало недостатков технологии GPRS, но это уже тема другой статьи

Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

---

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.

Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.

Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.

Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.

Дистанционно-векторный протокол RIP

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.

При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.

Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet

Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.

Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.

Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.

Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.

Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.

При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.

Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.

В протоколе EGP определены три основные функции:

* установление соседских отношений,
* подтверждение достижимости соседа,
* обновление маршрутной информации.

Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.

Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.

После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.

Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.

Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.

Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.

[pagebreak]

Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.

Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).

Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.

Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.

Протокол состояния связей OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.

Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.

Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.

Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.

Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.

Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.

В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.

Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.

Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.

Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.

В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:

* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.

Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.

Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.

Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.

Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.

Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.

Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.

Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.

Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).

Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.

Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.

В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.

Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.

В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).

HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.

Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.

Пример маршрутизации по алгоритму OSPF

Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.

Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.

На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.

Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.

[pagebreak]

С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.

Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.

Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.

Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.

После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.

Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.

Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик

В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):

(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)

В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):

(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,

где 20 - размер заголовка IP-пакета,

24 - заголовок пакета OSPF,

20 - размер заголовка сообщения HELLO,

4 - данные на каждого соседа.

Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):

(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с

(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с

Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.

Использование других протоколов маршрутизации

Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.

Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.

В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).

В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.

Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.

Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.

Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.

Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.

Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.

В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.

В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.

Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.

Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.

Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.

Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.