Первой разработанной сетью с коммутацией пакетов является сеть X.25, которая описана в одноименной рекомендации МСЭ-Т. Сети Х.25 разработаны для линий низкого качества с высоким уровнем помех (для аналоговых телефонных линий КТЧ) благодаря применению протоколов подтверждения установления соединений и коррекции ошибок на канальном и сетевом уровня и обеспечивают передачу данных со скоростью до 64 Кбит/с .

Стандарт Х.25 определяет двухточечный интерфейс (выделенную линию) между пакетным терминальным оборудованием DTE и оконечным оборудованием передачи данных DCE.

DTE (data terminal equipment) – аппаратура передачи данных (кассовые аппараты, банкоматы, терминалы бронирования билетов, ПК, т.е. конечное оборудование пользователей).

DCE (data circuit-terminating equipment) – оконечное оборудование канала передачи данных (телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее доступ к сети на стороне оператора связи).

PSE (packet switching exchange) – коммутаторы пакетов.

Рисунок – Структурная схема сети X.25

Интерфейс Х.25 содержит три нижних уровня модели OSI: физический, канальный и сетевой. Особенностью этой сети является использование коммутируемых виртуальных каналов для осуществления передачи данных между компонентами сети. Установление коммутируемого виртуального канала выполняется служебными протоколами, выполняющими роль сигнализации.

Физический уровень

На физическом уровне Х.25 используются аналоговые выделенные линии КТЧ. На физическом уровне Х.25 реализуется один из протоколов X.21 или X.21bis, который формирует данные в виде потока данных .

Канальный уровень

На канальном уровне сеть Х.25 обеспечивает гарантированную доставку, целостность данных и контроль потока. На канальном уровне поток данных структурируется на кадры . Контроль ошибок производится во всех узлах сети и в случае выявления ошибки выполняется повторная передача данных. Канальный уровень реализуется протоколом LAP-B , который работает только с двухточечными каналами связи, поэтому адресация не требуется .

Сетевой уровень

Сетевой уровень Х.25 реализуется протоколом PLP (Packet-Layer Protocol - протокол уровня пакета). На сетевом уровне кадры объединяются в один поток, который разбивается на пакеты . Протокол PLP управляет обменом пакетов через виртуальные цепи. Сеанс связи устанавливается между двумя устройствами DTE по запросу от одного из них. После установления коммутируемой виртуальной цепи эти устройства могут вести полнодуплексный обмен информации.

Пример кабелей DTE и DCE в сетях с коммутацией пакетов V.35*

- DTE

DCE -

* Примечание. Протоколы семейства V.xx – это дальнейшее развитие передачи пакетных данных поверх телефонных сетей, главным образом за счет увеличения количества симметричных линий связи. Максимальная скорость в сетях V.35 – до 8 Мбит/с.

Компьютерная пакетная сеть IP

Internet Protocol (IP, досл. «межсетевой протокол») –маршрутизируемый протокол сетевого уровня стека TCP/IP. Именно IP стал тем протоколом, который объединил отдельные компьютерные сети во всемирную сеть Интернет (WAN). Неотъемлемой частью протокола является адресация сети.

Рисунок – Принцип передачи IP-пакетов

1) Без установления соединения: перед отправкой пакетов данных соединение с узлом назначения не устанавливается (т.е. не известно, присутствует ли получатель, доставлено или прочитано письмо).

2) Доставка с максимальными усилиями (ненадёжная) : доставка пакетов не гарантируется.

3) Независимость от среды: функционирует независимо от среды, в которой передаются данные.

Инкапсуляция в IP-сети (создание пакетов)

Рисунок – Процесс формирования IP– пакетов

Заголовок IP-пакета всегда должен содержатьполе адреса отправителя и узла назначения!!!

IP-адрес (от англ. Internet Protocol Address) – уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. В сети Интернет требуется глобальная уникальность адреса; в случае работы в локальной сети требуется уникальность адреса в пределах сети.

Существует две рабочие версии IP протокола: IPv4 и IPv6 .

В версии протокола IPv4 IP-адрес имеет длину 4 байта (октета) и представляет собой 32-битовое число. Удобной формой записи IP-адреса (IPv4) является запись в виде четырёх десятичных чисел значением от 0 до 255, разделённых точками,

например, 192.168.0.3.

В 6-й версии IP-адрес (IPv6 ) является 128-битовым. Внутри адреса в качестве разделителей используются двоеточия (напр. 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334). Ведущие нули допускается в записи опускать. Нулевые группы, идущие подряд, могут быть опущены, вместо них ставится двойное двоеточие (fe80:0:0:0:0:0:0:1 можно записать как fe80::1). Более одного такого пропуска в адресе не допускается.

IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла (хоста) , которые разделяются маской. Маска может быть представлена в виде 4-байтного слова (например, 255.255.255.0 ) или быть представлена компактной записью через наклонную черту – «слеш» (например, /24 ).

Примечание : значения 255.255.255.0 и /24 – есть суть разного представления одного и того же двоичного числа (4-октетов): 11111111.11111111.11111111.00000000. В первом случае двоичные числа переводятся в десятичные внутри своих октетов, во втором случае /24 – есть количество идущих подряд единиц – слева на право.

Маска представляет собой фильтр с помощью которого определяют («отсекают») сетевую часть IP-сети и часть IP-адресов оконечных узлов (хостов). Осуществляется это по логической операции «И».

Пример:

Есть IP-адрес 62.76.34.36 и маска 255.255.255.224, определить адрес сети и хостов?

Таким образом, сетевая часть есть 62.76.34.32/27, а хосты в диапазоне.33 – .62,

Глобальные сети характеризуются двумя типами технологий соединений:

• сеть "точка - точка" (point-to-point);
• сеть "облако" (cloud).

В сети с технологий "точка - точка" каждым двум узлам выделяется отдельная линия, а для объединения N узлов требуется N(N - 1)/2 линий связи. В этом случае получаем высокую пропускную способность и большие расходы на линии связи и интерфейсное оборудование.

Более экономичной технологией сетей WAN являются сети типа "облако". В этом случае для подключения одного узла требуется только одна линия.

По принципу коммутации технология "облако" разделяется на:

• коммутацию каналов (в телефонных линиях связи);
• коммутацию сообщений (в E-mail);
• коммутацию пакетов (в сетях IP, X.25), кадров (в сетях Frame Relay), ячеек (в сетях ATM).

В сетях с коммутацией каналов обеспечивается прямое физическое соединение между двумя узлами только в течение сеанса связи. Достоинством сетей коммутации каналов является возможность передачи аудиоинформации и видеоинформации без задержек.

Кроме того, преимуществом этой технологии является простота ее реализации (образование непрерывного составного физического канала), а недостатком - низкий коэффициент использования каналов, высокая стоимость передачи данных, повышенное время ожидания других пользователей (в узлах коммутации образуются очереди).

В сетях с пакетной коммутацией (PSN - Packet-Switched Network) осуществляется обмен небольшими пакетами фиксированной структуры, поэтому в узлах коммутации не создаются очереди. К достоинствам сетей с коммутацией каналов относятся: эффективность использования сети, надежность, быстрое соединение.

Основным недостатком сетей с пакетной коммутацией является временные задержки пакетов в узлах сети (промежуточном коммуникационном оборудовании), что затрудняет передачу аудиоинформации и видеоинформации, которые чувствительные к задержкам. Технология коммутации кадров (ретрансляция кадров), а особенно коммутация ячеек устраняют эти недостатки сетей с коммутацией пакетов и обеспечивают качественную передачу данных, аудио - и видеоинформации.

Сети с коммутацией каналов представляют для сетей с коммутацией пакетов услуги физического уровня. Аналоговые и цифровые линии применяются в качестве магистралей сетей с коммутацией пакетов, сообщений и кадров.

К глобальным сетям с коммутацией пакетов относятся: сети IP; X.25; Frame Relay; ATM.

Коммутация пакетов в сетях PSN осуществляется двумя способами:

1. Первый способ ориентирован на предварительное образование виртуальных каналов. Существуют два типа виртуальных каналов: коммутируемые и постоянные. Виртуальным каналом называется логическое соединение, осуществляемое по различным существующим физическим каналам, которое обеспечивает надежный двухсторонний обмен данными между двумя узлами. Коммутируемый виртуальный канал обмена данными требует установления (устанавливается динамически), поддержания и завершения сеанса связи каждый раз при обмене данными между узлами. Постоянный виртуальный канал устанавливается вручную и не требует сеанса связи, узлы могут обмениваться данными в любой момент, так как постоянное виртуальное соединение всегда активно.
2. Второй способ основан на технологии дейтаграмм, т.е. на самостоятельном продвижении пакетов в пакетных сетях без установления логических каналов. В сетях с передачей дейтаграмм маршрутизация пакетов осуществляется на пакетной основе. Пакеты снабжены адресом назначения, и они независимо друг от друга движутся в узлы назначения. Таким образом, множество пакетов, которые принадлежат одному сообщению, могут перемещаться к узлу назначения различными маршрутами.

Маршрутизация в глобальных сетях TCP/IP осуществляется на основе IP-протокола, т.е. основана на самостоятельном продвижении пакетов. Принцип маршрутизации в глобальных сетях: X.25, Frame Relay, ATM основан на предварительном образовании виртуального канала и передаче в пункт назначения пакетов, кадров или ячеек по этому каналу, т.е. по одному маршруту.

2.2.1. Сети X.25

Сети Х.25 являются первой сетью с коммутацией пакетов и на сегодняшний день самыми распространенными сетями с коммутацией пакетов, используемыми для построения корпоративных сетей. Сетевой протокол X.25 предназначен для передачи данных между компьютерами по телефонным сетям. Сети Х.25 разработаны для линий низкого качества с высоким уровнем помех (для аналоговых телефонных линий) и обеспечивают передачу данных со скоростью до 64 Кбит/с. Х.25 хорошо работает на линиях связи низкого качества благодаря применению протоколов подтверждения установления соединений и коррекции ошибок на канальном и сетевом уровнях.

Стандарт Х.25 определяет интерфейс "пользователь - сеть" в сетях передачи данных общего пользования или “интерфейс между оконечным оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования”. Другими словами Х.25 определяет двухточечный интерфейс (выделенную линию) между пакетным терминальным оборудованием DTE и оконечным оборудованием передачи данных DCE.

На рисунке представлена структурная схема сети X.25, где изображены основные элементы:

1. DTE (data terminal equipment) – аппаратура передачи данных (кассовые аппараты, банкоматов, терминалы бронирования билетов, ПК, т.е. конечное оборудование пользователей).
2. DCE (data circuit-terminating equipment) – оконечное оборудование канала передачи данных (телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее доступ к сети).
3. PSE (packet switching exchange) – коммутаторы пакетов.

Рис. 1.

Интерфейс Х.25 обеспечивает:

• доступ удаленному пользователю к главному компьютеру;
• доступ удаленному ПК к локальной сети;
• связь удаленной сети с другой удаленной сетью.

Интерфейс Х.25 содержит три нижних уровня модели OSI: физический, канальный и сетевой.

Особенностью этой сети является использование коммутируемых виртуальных каналов для осуществления передачи данных между компонентами сети. Установление коммутируемого виртуального канала выполняется служебными протоколами, выполняющими роль протокола сигнализации.

Физический уровень

На физическом уровне Х.25 используются аналоговые выделенные линии, которые обеспечивают двухточечное соединение. Могут использоваться аналоговые телефонные линии, а также цифровые выделенные линии. На сетевом уровне нет контроля достоверности и управления потоком. На физическом уровне Х.25 реализуется один из протоколов X.21 или X.21bis.

Канальный уровень

На канальном уровне сеть Х.25 обеспечивает гарантированную доставку, целостность данных и контроль потока. На канальном уровне поток данных структурируется на кадры. Контроль ошибок производится во всех узлах сети. При обнаружении ошибки выполняется повторная передача данных. Канальный уровень реализуется протоколом LAP-B, который работает только с двухточечными каналами связи, поэтому адресация не требуется.

Сетевой уровень

Сетевой уровень Х.25 реализуется протоколом PLP (Packet-Layer Protocol - протокол уровня пакета). На сетевом уровне кадры объединяются в один поток, а общий поток разбивается на пакеты. Протокол PLP управляет обменом пакетов через виртуальные цепи. Сеанс связи устанавливается между двумя устройствами DTE по запросу от одного из них. Максимальная длина поля адреса устройства DTE в пакете Х.25 составляет 16 байт. После установления коммутируемой виртуальной цепи эти устройства могут вести полнодуплексный обмен информации. Сеанс может быть завершен по инициативе любого DTE, после чего для последующего обмена снова потребуется установление соединения.

Протокол PLP определяет следующие режимы:

1. Установление соединения используется для организации коммутируемой виртуальной цепи между DTE. Соединение устанавливается следующим образом. DTE вызывающей стороны посылает запрос своему локальному устройству DCE, которое включает в запрос адрес вызывающей стороны и неиспользованный адрес логического канала для использования его соединением. DCE определяет PSE, который может быть использован для данной передачи. Пакет, передаваемый по цепочке PSE, достигает конечного удаленного DCE, где определяется DTE узла назначения, к которому пакет и доставляется. Вызывающий DTE дает ответ своему DCE, а тот передает ответ удаленному DCE для удаленного DTE. Таким образом, создается коммутируемый виртуальный канал.
2. Режим передачи данных, который используется при обмене данными через виртуальные цепи. В этом режиме выполняется контроль ошибок и управление потоком.
3. Режим ожидания используется, когда коммутируемая виртуальная цепь установлена, но обмен данными не происходит.
4. Сброс соединения используется для завершения сеанса, осуществляется разрыв конкретного виртуального соединения.

Достоинства сети Х.25:

• высокая надежность, сеть с гарантированной доставкой информации;
• могут быть использованы как аналоговые, так и цифровые каналы передачи данных (выделенные и коммутируемые линии связи).

Недостатки сети: значительные задержки передачи пакетов, поэтому ее невозможно использовать для передачи голоса и видеоинформации.

NUMBEREDHEADINGS__

Принцип установления виртуальных каналов в сети Х.25

Третий (сетевой ) уровень выполняет функцию коммутации пакетов сети передачи данных стандарта МСЭ-Т Х.25 . Описание принципа коммутации пакетов приведено в статье «Стек протоколов сети пакетной коммутации X.25 ».

Сетевой уровень Х.25 соответствует функции третьего уровня эталонной модели OSI – коммутация (маршрутизация) блока данных (в случае Х.25 – пакета данных “Д”). На сетевом уровне протокол Х.25/3 обеспечивает для уровней, расположенных выше в иерархии сервис с установлением соединений. Поэтому на этом уровне определены процедуры установления виртуальных соединений, передачи данных по виртуальным соединениям и разрыва виртуальных соединений. При использовании сервиса, ориентированного на соединение, каждый пакет данных вместо физического адреса включает в свой заголовок виртуального канала уникальный на узле коммутации номер, соответствующий логическому каналу. Протокол виртуального соединения стандарта Х.25 является мультиплексируемым протоколом, т.е. через один канал связи второго уровня может быть установлено много виртуальных соединений. Виртуальные соединения отличаются друг от друга уникальными логическими канальными номерами (LCN – Logical Channel Number ). В качестве примера покажем передачу по одному и тому же каналу второго уровня пакетов двух разных виртуальных соединений (рис. 1).

Рис. 1. Пример виртуальных соединений по одному каналу второго уровня

На рис. 1 показана маршрутизация двух виртуальных соединений (каналов): одного между оконечными станциями Н1- Н2, другого между оконечными станциями Н3 – Н4. Центр коммутации пакетов Х.25 ЦКП (А) может отличить пакеты, поступающие от Н1 и Н3 (номера LCN у них одинаковые и равны 1), так как эти пакеты поступают в ЦКП(А) по разным физическим линиям. Следующий за ним ЦКП(С) различить эти пакеты не может. Поэтому, для того, чтобы различить виртуальные соединения Н3 - Н4 и Н1 - Н2 в заголовке пакета первого соединения устанавливается уникальное для этого центра LCN, а в заголовке пакета второго соединения другое уникальное LCN, На рис 1 эти значения равны соответственно 19 и 144. Эти пакеты поступают на основании физических адресов оконечных станций в соответствии с таблицей маршрутизации в ЦКП(С). В ЦКП(С) на выходе в заголовке пакета первого соединения устанавливается уникальное для этого центра LCN(73), а в заголовке пакета второго виртуального соединения другое уникальное LCN(75). Аналогичная процедура выполняется в последнем ЦКП(Е). Таким образом на одних и тех же участках сети ЦКП(А)-ЦКП(С)-ЦКП(Е) передаются пакеты двух разных виртуальных каналов (ВК).

Сеть Х.25 обеспечивает два вида сервиса установления соединения: постоянный виртуальный канал ПВК (PVC – Permanent Virtual Circuit ) и коммутируемый виртуальный канал КВК (SVC – Switched Virtual Circuit ).

Логические канальные номера LCN в таблицах маршрутизации ПВК устанавливаются оператором сети, т.е. отсутствует обмен служебными пакетами по установлению виртуального канала. Необходимость в таких каналах возникает у пользователей, которые нуждаются в постоянном соединении между ними. При большой интенсивности потоков предпочтительно использовать ПВК, который является более дешевой альтернативой арендованному каналу.

Основным недостатком ПВК является его низкая надежность, так как сеть не позволяет быстро и безошибочно восстановить соединение между пользователями при неисправности звена данных (канала связи) между ЦКП. КВК устанавливается автоматически с помощью служебных пакетов. Описание установления КВК приводится позже.

Режим коммутируемого виртуального канала КВК используется в тех случаях, когда информация передается между многими пользователями, а сеансы связи не частые или кратковременные. Применение в этих случаях ПВК означало бы установление соединений между всеми пользователями и необходимость производить оплату бездействующих соединений. Мультиплексирование в режиме КВК позволяет экономично использовать пропускную способность каналов связи и выгодно для пользователей сети.

На рис. 2 приведена иллюстрация мультиплексирования нескольких виртуальных каналов в один канал связи между ЦКП. Здесь через ВК1 обозначен виртуальный канал, соединяющий абонентов 1 и 1*, через ВК2 обозначен виртуальный канал, соединяющий абонентов 2 и 2*, через ВК3 обозначен виртуальный канал, соединяющий абонентов 3 и 3*, через ВК4 обозначен виртуальный канал, соединяющий абонентов 4 и 4*. На участке между ЦКП4 и ЦКП5 проходят все эти виртуальные каналы.

Рис. 2. Мультиплексирование виртуальных каналов

На рис. 3 приведены два виртуальных канала (КВК или ПВК), проходящие через три ЦКП. В первом виртуальном канале (КВК1 или ПВК1), изображенном сплошными линиями:

• логический канальный номер LCN в заголовке входящего пакета в ЦКП1 –равен 5, в заголовке исходящего пакета – 3503;
• в ЦКП2 соответственно 3503 и 1510;
• в ЦКП3 соответственно 1510 и 2301.

Во втором виртуальном канале (изображенном пунктирными линиями) в ЦКП1 - 2020 и 1500; в ЦКП2 - 1500 и 835; в ЦКП3 - 835 и 4001.

Рис. 3. Прохождение пакетов двух виртуальных каналов через несколько ЦКП

Для того чтобы обеспечить индивидуальность виртуального канала, номер LCN в заголовке исходящего из ЦКП пакета должен быть уникальным. Это обеспечивается программным способом при установлении ВК с использованием свободного номера, не задействованного в этом ЦКП никаким другим соединением.

Рассмотрим информационные процессы в коммутируемом виртуальном канале . На рис. 4 приведен пример сети Х.25 с вычислительными средствами ЦКП1 и ЦКП2. Каждый из этих ЦКП состоит из центрального процессора (Ц пр), выполняющего функции сетевого уровня и канальных процессоров, выполняющих функции канального уровня (K пр).

Как видно из рисунка, канальные процессоры K пр 1, K пр 2, K пр 3 ЦКП1 и ЦКП2 взаимодействуют с центральным процессором Ц пр своего ЦКП и процессорами оконечных станций (Пр). Канальные процессоры K пр 4, K пр 5, K пр 6 взаимодействуют с центральным процессором Ц пр своего ЦКП и канальными процессорами смежных ЦКП.

Рис. 4. Вычислительные средства двух ЦКП сети X.25

Процессоры оконечных пунктов выполняют функции всех уровней модели OSI.

Диаграмма установления коммутируемого виртуального канала

На рис. 5 приведена упрощенная диаграмма установления КВК между оконечными пунктами А и Б и передача пакета данных «Д» по этому КВК от А в Б. Обработка пакетов «Запрос вызова» и «Вызов принят» выполняет одновременно функции составления таблицы маршрутизации по логическим канальным номерам LCN и установление коммутируемого виртуального канала.

Приведем краткое описание этих информационных процессов:

1. с транспортного уровня оконечной станции А на сетевой уровень поступает примитив «Запрос» на установление КВК между А и Б;
2. с сетевого уровня на канальный уровень станции А поступает пакет «Запрос вызова» («ЗВ»), в заголовке которого размещены физические адреса оконечных станций А и Б (адресация по рекомендации Х.121) и логический канальный номер LCN=1. Адреса Х.121 имеют максимальную длину, равную 14 цифрам, из которых одна цифра - код зоны. МСЭ-Т разделил мир на 7 зон, три цифры - идентификатор сети в зоне, десять цифр - номер сетевого терминала;
3. с канального уровня станции А в ЦКП1 поступает кадр «I» с вложенным (инкапсулированным) в него пакетом «ЗВ». Кадр передается в канал связи;
4. кадр «I» с входящим в него пакетом «3В» поступает на канальный процессор K пр 1 ЦКП1; На выходе K пр 1 этот кадр освобождается от заголовка и вложенный в него пакет «3В» поступает на центральный процессор Ц пр.
5. центральный процессор Ц пр выполняет функции сетевого уровня и производит коммутацию этого пакета на K пр 4, установив при этом в заголовке новое значение LCN=123. Коммутация производится с помощью таблицы маршрутизации на основании физических адресов А и Б в заголовке пакета;
6. кадр «I» с пакетом «3В» (c заголовком LCN=123) поступает на K пр 4 ЦКП2. На выходе K пр 4 кадр освобождается от заголовка;
7. пакет с LCN=123 в заголовке поступает на Ц пр ЦКП2, где производится его коммутация на K пр 2 и установка нового значения LCN=4001;
8. на выходе K пр 2 ЦКП2 формируется кадр «I» с вложенным в него пакетом «3В» (LCN=4001);
9. этот кадр передается в канал и затем поступает на процессор оконечной станции Б;
10. на оконечной станции Б кадр освобождается от заголовка после его обработки, и входящий в него пакет под измененным названием («Входящий вызов» – «ВВ») с LCN = 4001 поступает на сетевой уровень;
11. после обработки заголовка поступившего пакета «ВВ» Ц Пр оконечной станции Б направляет примитив «индикация соединения» на транспортный уровень с указанием адресов А и Б;
12. с транспортного уровня поступает примитив «ответ»;
13. при положительном решении сетевой уровень оконечной станции Б формирует пакет «Вызов принят» («ВП») с LCN = 4001;
14. процессор Пр отправляет «I» кадр с вложенным в него пакетом «ВП».

Рис. 5. Установление КВК и передача по нему пакета данных

Далее в обратном направлении по тому же пути до оконечной станции А пересылается информационный кадр, и на сетевой уровень А поступает пакет под названием «Соединение установлено» с LCN = 1. С сетевого уровня на транспортный уровень поступает примитив «подтверждение соединения». На этом завершается фаза установления КВК между оконечными пунктами А и Б. Следующая строка на диаграмме иллюстрирует прохождение от А в Б пакета «Данные» («Д») по установленному КВК.

Примитив с транспортного уровня сообщает сетевому уровню о необходимости передачи пакета «Д» по КВК между А и Б. Сетевой уровень пункта А формирует пакет «Д» c LCN = 1. Физические адреса А и Б в пакетах с данными «Д» отсутствуют, так как все пакеты с данными, принадлежащие информационному потоку А ↔ {\displaystyle \leftrightarrow } Б, будут пересылаться через сеть по одному и тому же маршруту, установленному КВК. Как видно из диаграммы, пакет «Д» проходит через ЦКП1 и ЦКП2 в оконечный пункт Б по тому же маршруту (через те же канальные процессоры) и с теми же логическими канальными номерами LCN, которые были во входящем и исходящем пакетах «Запрос вызова» и «Вызов принят».

В обратном направлении пакет «Д» (из Б в А) будет проходить по тому же маршруту и логические канальные номера LCN будут устанавливаться, как в выше приведенных пакетах «Вызов принят» и «Соединение установлено».

Установление КВК и передача пакетов «Д» между другими оконечными пунктами, подключенными к ЦКП1 и ЦКП2 (например, С-Д, Г-Е) производится через соответствующие канальные процессоры абонентского доступа (С - через K пр 2 ЦКП1, Г - через K пр 3 ЦКП1), но через одни и те же канальные процессоры K пр 4, подключенные к каналу связи между ЦКП1 и ЦКП2.

Логические канальные номера LCN в пакетах, передаваемых между ЦКП1 и ЦКП2, должны быть индивидуальными для каждого КВК. На этом участке могут проходить пакеты «Д» по всем КВК, максимальное число которых определяется в Х.25 полем в 12 бит. Максимальное число виртуальных каналов, обслуживаемых центральным процессором одного ЦКП, составляет 4094.

Перечислим некоторые из основных полей заголовка пакета сетевого уровня Х.25:

• логический канальный номер LCN;
• тип пакета (пакеты установления и сброса виртуального соединения, пакеты данных «Д» верхних уровней, пакеты управления потоком, пакеты прерываний, пакеты подтверждения прерываний). Длина поля данных пользователя в пакете дана по умолчанию равной 128 байт, но доступны также и другие значения: 16, 32, 64, 256, 512, 1024, 2048 и 4096 байт;
• биты специальных операций (D – бит, М – бит, Q – бит).

Пакеты прерываний обеспечивают механизм, при помощи которого могут быть отправлены срочные данные. Большинство производителей оборудования поддерживают две очереди пакетов «Д» для каждого выходного порта – одна для обычных данных, а другая для данных прерываний (т.е с приоритетом). Прежде чем обслуживать обычную очередь производится проверка того, что очередь пакетов прерываний пуста.

Управление потоком данных является важным аспектом сервиса Х25/3 по причине природы операций виртуального соединения, требующих гарантированной доставки данных. Для гарантии того, что пакеты не потеряются, важно ограничить количество неподтвержденных пакетов, т.е. размер окна виртуального канала сетевого протокола.

На сетевом уровне Х25/3 предусмотрена возможность остановить отправку пакетов «Д» при получении пакета RNR - receive not ready (неготовность к приему ) по определенному виртуальному каналу. Этот механизм используется для снятия перегрузки.

Особенности протокола сетевого уровня Х.25

При сравнении с сетевым уровнем модели OSI других технологий сетей протокол сетевого уровня Х25/3 имеет несколько отличий. Этот стандарт не содержит протокола маршрутизации . Под протоколом маршрутизации понимается автоматическая коррекция таблиц маршрутизации при отказах каналов связи, перегрузке и других изменениях в сети. Эти функции в сети Х.25 (относительно таблицы маршрутизации по физическим адресам) отнесены к специфике реализации. Следует отметить, что протоколы маршрутизации разработаны в стандартах других сетей связи, (например, в системе сигнализации ОКС№7 , в IP-сети). Эти протоколы учитывают коррекцию таблицы маршрутизации при отказах каналов связи и узлов коммутации, при перегрузках.

Х.25 является протоколом интерфейса абонентского доступа .

На абонентском доступе сети Х.25 располагается два вида оборудования:

• оконечное оборудование данных OOД (DTE , Data Terminal Equipment ), машина конечного пользователя, в качестве которой может быть терминал или компьютер;
• оборудование окончания канала данных АКД (DCE , Data Circuit-terminating Equipment ). Функция канала данных состоит в подключении ООД к каналу передачи данных. АКД преобразует цифровой сигнал ООД в сигналы, согласованные с характеристиками существующих каналов связи (аналоговых или цифровых). Примером АКД является модем.

Протокол сетевого уровня Х25/3 выполняет несколько функций, которые обычно относятся к функциям транспортного уровня. Операции включают использование нескольких специальных битов в заголовках пакетов. Пакеты данных Х.25 содержит D – бит, Q – бит и М – бит.

Когда бит D установлен в 1, то предусмотрено сквозное подтверждение приема пакета, т.е. от одного оконечного оборудования данных (ООД ) до другого ООД. Если пакет с D=1 достигает ООД получателя, то это оборудование отвечает за обеспечение подтверждения. Это подтверждение направляется обратно к ООД отправителя, таким образом, реализуя сквозное подтверждение. В этом случае с транспортного уровня снимается функция гарантии правильной последовательности принятых пакетов, которая обычно имеет место в сетях других технологий.

В сети Х.25 в большинстве случаев используется локальное подтверждение правильного приема пакетов, т.е. на участке между ООД и аппаратурой канала данных АКД. В этом случае за проверку правильной последовательности пакетов во входящем потоке отвечает транспортный уровень (четвертый уровень OSI).

В соответствии с моделью OSI, транспортный уровень отвечает за сегментацию сообщений таким образом, чтобы размер сегмента не превышал максимального размера пакета, требуемого сетевым уровнем. Транспортный уровень получателя выполняет процесс обратный сегментации, чтобы восстановить сообщение. Посредством М – бита в заголовке пакета «Д» протокол сетевого уровня Х25/3 забирает у транспортного уровня функцию сегментации сообщений и их сборки. Результатом является последовательность связанных пакетов, которые после сборки образуют исходное сообщение. Для этого отправитель устанавливает М – бит всех пакетов за исключением последнего в последовательности пакетов в 1. В последнем пакете последовательности М – бит устанавливается в 0. На основании значений М – бита, получатель может собрать пакеты в исходное сообщение, прежде чем оно будет передано на транспортный уровень.

Q – бит, находящийся в заголовке пакета данных, используется для указания альтернативного места назначения для содержимого поля пользовательских данных определенного пакета. В обычных условиях Q – бит в пакете «Д» установлен в 0. Это значит, что содержащиеся в пакете данные предназначены для конечного пользователя. Если Q – бит установлен в 1, это значит, что получатель содержимого поля является не «типичным» конечным пользователем, а некоторым другим объектом в местоположении получателя. Например, можно управлять конфигурацией удаленного конечного пользовательского устройства во время установленного виртуального соединения. Допустим, мы хотим изменить значение параметра канального уровня (такого как размер окна) во время обмена пакетами «Д». Для этого, используя Q - бит, можно отправить команду с новыми параметрами настройки в поле данных пакета Х.25. Когда этот пакет достигнет получателя, его содержимое будет направлено не на сетевой уровень, а на канальный уровень. Таким образом, Q – бит позволяет выбрать одно их двух мест назначения для содержимого каждого пакета «Д». Так как Q – бит занимает поле в 1 бит, то поддерживается один «нетипичный» конечный пользователь, который определяется во время установления соединения.

Услуга информационной безопасности «Замкнутая группа абонентов»

В рекомендации Х.25 предусмотрены дополнительные услуги. Замкнутая группа пользователей CUG (Closed User Group ) является одной из таких услуг и служит средством обеспечения безопасности в отношении защиты от несанкционированного доступа. Членом CUG назначается с помощью идентификатора, который включается в заголовок пакетов установления соединения коммутируемого виртуального канала. Без идентификатора CUG виртуальные соединения не будут устанавливаться с другими членами CUG. Это средство обеспечения безопасности имеет несколько режимов. В одном из них только члены CUG могут устанавливать виртуальные соединения друг с другом. Доступ за пределы группы CUG запрещен. Более того, доступ кого-либо извне также воспрещен. В другом режиме члены CUG могут устанавливать соединение с любым другим пользователем сети вне зависимости от того, является он или нет членом CUG. Однако установка соединений с членами группы CUG извне её запрещена. Хотя концепция группы CUG менее сложная и отличается от современных виртуальных частных сетей VPN (Virtual Private Network ), между ними можно провести тесную параллель. Для классической VPN характерно обеспечение не только защиты от несанкционированного доступа, но и выполнение требований по качеству обслуживания.

NUMBEREDHEADINGS__

Многоуровневый принцип построения сети

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция , то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, а также определение функций интерфейсов, связывающих каждый модуль. В результате достигается логическое упрощение задачи, а, кроме того, появляется возможность безошибочной модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы, замена модулей.

При декомпозиции в сетях связи используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем:

• все множество функциональных модулей разбивают на уровни;
• уровни организуют в виде вертикального стека, то есть они взаимодействуют на основе строгой иерархии;
• множество модулей, составляющих каждый уровень, формируется таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям, непосредственно примыкающего уровня, лежащего ниже в иерархии;
• с другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего уровня, лежащего выше в данной иерархии.

Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функций каждого уровня и интерфейсов между ними. Интерфейс определяет набор функций, которые уровень, лежащий ниже в иерархии, предоставляет уровню, лежащему выше. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.

Количество уровней, их названия, содержание и назначение функциональных модулей разнятся от сети к сети. Однако во всех сетях целью каждого уровня является предоставление неких служб для верхних уровней, скрывая от них детали реализации предоставляемого сервиса.

Уровень n узла сети (одной машины), поддерживает связь с уровнем n другого узла сети. Правила и соглашения, используемые в данном общении, называются протоколом уровня n . По сути, протокол является договоренностью общающихся сторон о том, как должно происходить общение.

Протокол – это набор формализованных правил, процедур, спецификаций, определенный формат и способ передачи данных.

Обычно протокол обеспечивает взаимодействие между процессами, находящимися на одном иерархическом уровне, но в разных оконечных и транзитных пунктах сети. Элементы данных, пересылаемых на одном иерархическом уровне, называются элементами данных протокола блока данных PDU (Protocol Data Unit).

На рис. 1. показана пятиуровневая сеть. Объекты различных узлов сети включают соответствующие уровни. Они виртуально (логически) общаются при помощи протоколов. В действительности, данные не пересылаются с уровня n одной машины на уровень n другой машины. Вместо этого, каждый уровень машины-отправителя, начиная с верхнего, передает данные и управление уровню, лежащему ниже, пока не будет достигнут самый нижний уровень. Такие сообщения называются служебными элементами данных SDU (Service Data Unit). Ниже первого уровня находится физический носитель, по которому и производится обмен информацией. На приемной стороне пересылаемый блок данных последовательно проходит уровни машины-получателя снизу вверх. Каждый уровень выполняет свою группу функций, необходимых для приема данных.

Между каждой парой смежных уровней интерфейс . Это аппаратно-программные средства, а также совокупность правил, которые обеспечивают взаимодействие смежных уровней.

Когда разработчики сетей решают, сколько уровней следует включить в архитектуру сети и какие функции должен выполнять каждый уровень, очень важно определение ясных интерфейсов между уровнями. Необходимо, чтобы каждый уровень выполнял особый набор хорошо понятных функций. Минимизация количества служебной информации, передаваемой между уровнями, ясно разграниченные интерфейсы значительно упрощают изменение реализации уровня (например, замену телефонных линий спутниковыми каналами). При многоуровневом подходе всего лишь требуется, чтобы новая реализация определенного уровня предоставляла такой же набор услуг вышестоящему уровню, что и предыдущая.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети . Спецификация архитектуры должна содержать достаточно информации для написания программного обеспечения или создания аппаратуры для каждого уровня так, чтобы они корректно выполняли требования протокола. Ни детали реализации, ни спецификации интерфейсов не являются частями архитектуры, так как они спрятаны внутри машины и не видны снаружи. Чтобы проще понять суть многоуровневого общения, можно воспользоваться следующей аналогией (рис. 2).

Представим, что существуют два абонента Боб и Алиса (уровень 3), один из них говорит на английском языке, а другой – на французском. Поскольку нет общего языка, на котором они могут общаться непосредственно, каждый из них использует переводчика (одноранговые процессы уровня 2). Каждый из переводчиков, в свою очередь, нанимает секретаря (одноранговые процессы уровня 1). Боб желает сказать своему собеседнику «Я люблю Вас». Для этого он передает сообщение на английском языке по интерфейсу 2/3 (интерфейс, находящийся между вторым и третьим уровнем) своему переводчику. Переводчики договорились общаться на нейтральном языке – русском. Таким образом, сообщение преобразуется к виду «Я люблю Вас». Выбор языка является протоколом второго уровня и осуществляется одноранговыми процессами уровня 2. Затем переводчик отдает сообщение секретарю для передачи, например, по факсу (протокол первого уровня). Когда сообщение получено другим секретарем, оно переводится на французский язык и через интерфейс 2/3 передается абоненту Алисе. Заметим, что каждый протокол полностью независим, поскольку интерфейсы одинаковы с каждой стороны. Переводчики могут переключиться с русского языка, скажем, на финский, при условии, что оба будут согласны. При этом в интерфейсах второго уровня с первым или с третьим уровнем ничего не изменится. Подобным образом секретари могут сменить факс на электронную почту или телефон, не затрагивая (и даже не информируя) другие уровни. Каждое изменение касается только обмена информацией на своем уровне. Эта информация не будет передаваться на более высокий уровень.

Рассмотрим технический пример: как обеспечить общение для верхнего уровня пятиуровневой сети (рис. 3). Сообщение M создается приложением, работающим на уровне 5, и передается уровню 4 для передачи. Уровень 4 добавляет к сообщению заголовок (З4), например, для идентификации номера сообщения, и передает результат уровню 3. Во многих сетях сообщения (данные), передаваемые на уровне 4, не ограничиваются по размеру, однако почти всегда подобные ограничения накладываются на протокол третьего уровня. Соответственно, уровень 3 должен разбить входящее сообщение на более мелкие единицы – пакеты, предваряя каждый пакет заголовков уровня 3 – З31(для М1) и З32 (для М2). В данном примере сообщение М разбивается на две части М1 и М2. Заголовок З31 и З32 включают управляющую информацию, например, последовательные номера, позволяющие уровню 4 принимающей машины доставить сообщения своему приложению в правильном порядке, если на нижних уровнях произойдет нарушение этой последовательности. На некоторых уровнях заголовки также включают в себя размеры пересылаемых блоков данных, время пребывания в сети и другие управляющие поля.

Уровень 3 решает, какую из выходных линий использовать, то есть определяет направление дальнейшей передачи, и передает пакеты уровню 2.

Рис. 3. Пример пятиуровневой сети

Здесь рассматривается разделение нагрузки, когда часть соединения М передается по одному каналу, а другая часть по другому каналу. Уровень 2 добавляет не только заголовки З21 и З22 к каждому пакету, но также и концевики К21 и К22 – завершители пакета. Заголовки и концевики уровни 2 служат для обнаружения искаженных в канале пакетов и повтора их с буфера. Пакеты уровня 2 передаются уровню 1 для физической передачи. На приемной машине сообщение передается по уровням вверх, при этом заголовки убираются на каждом уровне по мере продвижения сообщения. Заголовки нижних уровней более высоким уровням не передаются.

Необходимо понять соотношение между виртуальным и реальным общением и разницу между протоколом и интерфейсом. Одноранговые процессы уровня 4, например, воспринимают свое общение горизонтальным, использующим протокол 4-го уровня. У каждого из них имеется процедура с названием вроде «Передать на противоположную сторону» или «Принять от противоположной стороны». На самом деле эти процедуры общаются не друг с другом, а с нижними уровнями при помощи интерфейсов 3/4.

Абстракция одноранговых процессов является ключевой для проектирования сетей. С её помощью чрезвычайно трудно выполнимая задача разработки целой сети может быть разбита на несколько меньших, и вполне разрешимых проблем, а именно, разработки индивидуальных уровней.

Приведенный выше пример относится к надежной службе на основе установления соединения между пользователями. В следующем разделе рассмотрим примеры предоставления услуг с установлением и без установления соединения, надежные и ненадежные.

Службы с установлением и без установления соединений, надежные и ненадежные соединения

Уровни могут предлагать вышестоящим уровням услуги двух типов: с наличием или отсутствием установления соединения. В технике связи процедура обмена сообщениями в процессе установления или разъединения соединений называется сигнализацией (signaling).

Типичный пример сервиса с установлением соединения является телефонная связь: абонент сначала устанавливает соединение, разговаривает, а затем разрывает соединение. Подобное может быть и при передаче данных. В некоторых случаях отправляющая запрос сторона согласовывает параметры качества обслуживания, а другая отвергает или принимает.

Примером отсутствия установления соединения является рассылка рекламы по электронной почте. Как в случае с установлением соединения, так и в случае отсутствия соединения, служба может быть надежной и ненадежной. Надежная служба обеспечивает отправку данных без потерь.

Надежная служба реализуется с помощью подтверждений, посылаемых получателем в ответ на каждое принятое сообщение. Пример надежной службы – передача файлов, что обеспечивает доставку без искажений. Не для всех приложений годится надежная служба (например, для передачи речевой или видеоинформации – для них недопустима большая задержка из-за повторной передачи принятых с искажениями данных). Режим без подтверждений и без установления соединений называется дейтаграммным. По аналогии с телеграфом отправителю не предоставляется подтверждение о получении телеграммы. Дейтаграммный режим используется кроме передачи речи и видео также тогда, когда надежная доставка данных обеспечивается протоколами более высоких уровней.

Пакетная коммутация

В соответствии с законом «О связи» от 18 июня 2003 года для сетей связи общего пользования стратегическим направлением является коммутация пакетов.

При коммутации пакетов сообщение пользователя разбивается в оконечном узле связи на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком. Например, в сети Х.25 максимальная длина поля данных пакета

Рис. 4. Передача данных в сети КП

устанавливается по согласованию (по умолчанию - 128 байт). В заголовке пакета устанавливается адресная информация, необходимая для доставки пакета в оконечное устройство получателя. В сети Х.25 используется формат адресации, определенный в рекомендации ITU-T Х.121, содержащий код зоны (всего в мире 7 зон), код определенной сети в зоне и номер сетевого терминала из десяти цифр. На рис. 4 показана передача сообщения абонента абоненту . Абонент a i {\displaystyle a_{i}} подключён к центру коммутации А, а абонент a j {\displaystyle a_{j}} к центру коммутации D. Перед передачей сообщение разбивается на три пакета, которые поступают получателю через транзитные центры коммутации B и C.

К сетям с коммутацией пакетов относится не только сеть Х.25, но и более современные технологии (сети Frame Relay , ATM), а также Интернет.Пропускная способность канала в сети КП при неравномерном трафике существенно выше, чем в сетях КК. Один и тот же физический канал используется для обслуживания многих абонентов, поочередно предоставляя свою пропускную способность разным соединениям абонентов. Наибольший эффект от КП достигается при высоком коэффициенте пульсации трафика пользователей сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети определяется как отношение пиковой скорости на каком-либо коротком интервале времени к средней скорости обмена данными на длинном интервале времени и может достигать значений 100:1. Если использовать коммутацию каналов, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время часть ресурсов сети остается закрепленной за данной парой абонентов и недоступна другим пользователям сети.

На рис. 5 приведен пример мультиплексирования пакетов разных информационных потоков в одном физическом канале.

Рис. 5. Пример мультиплексирования пакетов в одном физическом канале

На первых трех осях изображены потоки пакетов, генерируемых абонентами a 1 {\displaystyle a_{1}} , a 2 {\displaystyle a_{2}} , a 3 {\displaystyle a_{3}} . Двойная нумерация пакетов на рис. 5 обозначает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал используется для обслуживания трех абонентов – путем разделения по времени, т.е. поочередного предоставления канала абонентам. Один канал может обеспечить работу многих взаимодействующих абонентов.

Таким образом, пакет поэтапно, с переприемом, передается через ряд узлов в пункт назначения. Пакеты могут иметь переменную длину, но в достаточно узких пределах: от 50 до 1500 Байт. Пакеты транспортируются в сети, как независимые информационные блоки и собираются в сообщение в узле назначения. Коммутаторы пакетной сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора занят передачей другого пакета.

Стек протокола сети пакетной коммутации стандарта X.25

Рассмотрев многоуровневый принцип построения сети, перейдем к стеку протоколов (или уровней) конкретной сети пакетной коммутации стандарта X.25 .

Изучение стека протоколов именно этой сети объясняется следующими причинами:

1. рекомендации МСЭ-Т X.25 и родственные с ней (X.3, X.28, X.75, X.121 и др.) наиболее полно соответствуют стандартизированной МСЭ-Т эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI , (Open System Telecommunication), включающей 7 уровней. Следует отметить, что модель OSI не полностью отражают архитектуру построения современных технологий сетей связи. Несмотря на это модель OSI является прекрасным механизмом для анализа основ архитектуры этих сетей .
2. многие из современных технологий имеют корни в стандарте Х.25. Сети Х.25 продолжают находится в эксплуатации (в том числе и в России – сеть общего пользования «РОСПАК», система защиты банкоматов Сбербанка России и др.).
3. изложение принципов программного обеспечения в сети X.25 позволяет изучить процедуры функционирования технологий более современных сетей (Frame Relay , ATM , IP-сети , ОКС№7 , MPLS).
4. для классификации сетей связи используются различные признаки. Чаще всего сети делятся по величине территории, которую покрывает сеть. Причиной является отличие технологий локальных и глобальных сетей. Глобальные сети, к которым относятся сети Х.25 предназначены для обслуживания большого количества абонентов, разбросанных на большой территории – в пределах региона, страны, континента или всего земного шара. Услугами глобальной сети могут пользоваться локальные сети предприятий или отдельные компьютеры. Исторически глобальные сети появились первыми, хотя технология их значительно сложнее. Именно при их построении были впервые отражены основные концепции сетей, такие как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, требования к качеству обслуживания QoS (Quality of Service) и соглашение о гарантии обслуживания SLA (Service Level Agreements).

На рис. 6 представлен стек протоколов сети ПК Х.25.

Здесь приведена транспортная сеть, состоящая из трех центров коммутации пакетов ЦКП (ЦКП1 , ЦКП2 , ЦКП3 ) и двух оконечных станций - А и В. ЦКП включает три нижних уровня, соответствующих модели OSI:

• физический уровень (уровень 1), осуществляющий передачу бит;
• канальный уровень или уровень звена данных Х.25/2 (уровень 2), осуществляющий свободную от ошибок передачу по отдельному каналу связи;
• сетевой уровень Х.25/3 (уровень 3), обеспечивающий маршрутизацию (коммутацию) сообщений по каналам, связывающим ЦКП.

На этих уровнях действуют протоколы транспортной сети между ЦКП и протоколы доступа к сети. Как правило, протоколы верхних уровней модели OSI (с 4 по 7) реализуются только на оконечных устройствах сети и являются сквозными протоколами.

Четвертый уровень в модели OSI является транспортным уровнем. Транспортный уровень располагается на оконечных станциях и обеспечивает интерфейс между транспортной сетью (ЦКП1, ЦКП2, ЦКП3) и верхними тремя уровнями обработки данных, размещенными у пользователя. Транспортный уровень, в частности, выполняет сегментирование данных, передаваемых в сеть, в случае необходимости.

К уровням обработки данных, которые иногда называют уровнями приложения, относятся прикладной, представительный и сеансовый уровни. Прикладной уровень обеспечивает поддержку прикладного процесса пользователя и отвечает за семантику, то есть смысловое содержание сообщений, которыми обмениваются машины отправителя и получателя. На прикладном уровне находятся сетевые приложения: электронная почта, передача файлов по сети и пр.

Представительный уровень или уровень представления определяет синтаксис передаваемых сообщений, то есть, набор символов алфавита и способы их представления в виде двоичных чисел (первичный код). Уровень обеспечивает процесс согласования различных кодировок, а также может выполнять шифрование, дешифрование и сжатие данных. Уровень представления обеспечивает прикладному процессу независимость от различий в синтаксисе.

Сеансовый уровень управляет сеансами взаимодействия прикладных процессов пользователей. Сеанс создается по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни. На этом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, и обеспечивается синхронизация диалога. Средства синхронизации позволяют организовывать контрольные точки в длинных передачах, чтобы в случае отказа можно было вернуться к последней контрольной точке, не начиная всю передачу данных сначала.

На рис. 7 показан перенос данных в сетях ПК X.25 через все уровни оконечных устройств абонентов А и Б, а также нижние три уровня узлов транспортной сети. Здесь приняты обозначения D3, D4, D5, D6, D7 - блоки данных уровней соответственно уровней 3, 4, 5, 6, 7. Обозначения З2, З3, З4, З5, З6 – заголовки блоков данных соответственно уровней 2, 3, 4, 5, 6. Передача данных физически производится по вертикали: на передачу с верхнего уровня на нижний и на приёме наоборот. Для передачи сообщения четвертого уровня оконечного устройства (состоящего из заголовка З4 и данных Д5) оно вкладывается (инкапсулируется ) в пакет третьего уровня (сетевого). При этом к пакету добавляется заголовок З3 (включающий адрес). На основе адресов заголовка производится коммутация в центре коммутации пакетов. Далее производится инкапсуляция этого пакета в кадр второго уровня. Как видно из рисунка, кроме заголовка З2 в кадр добавляется концевик К2, который служит для обнаружения на приёме искаженного в канале кадра.

Шифрование сообщений в сети пакетной коммутации

Одним из способов обеспечения противодействия угрозам информационной безопасности некоторых сетей ограниченного пользования является шифрование. При использовании шифрования необходимо решать, что именно следует шифровать и на каком уровне эталонной модели OSI следует осуществлять защиту информации. Для таких сетей коммутация информационных пакетов производится на основании таблицы маршрутизации, включающих физические адреса. В этом отношении они отличаются от сети пакетной коммутации стандарта Х.25 (подробно об этом будет изложено в главе 7) и в них предусмотрено два основных варианта шифрования: канальное и сквозное шифрование . Их использование показано на рис. 8.

Рис. 8. Шифрование в сети коммутации пакетов

При канальном шифровании каждый уязвимый канал на третьем уровне Х.25 оборудуется устройствами шифрования на обоих концах. Таким образом, весь поток данных в канале оказывается защищенным. Хотя для этого в большой сети потребуется значительное количество устройств шифрования (на каждый канал сети), преимущества такого подхода очевидны. Недостатком же является то, что сообщение должно расшифровываться каждый раз, проходя через коммутатор пакетов, поскольку коммутатор должен прочитать адрес в заголовке пакета, чтобы направить пакет по нужному направлению. Поэтому сообщение оказывается уязвимым в каждом коммутаторе.

При сквозном шифровании процесс шифрования выполняется на уровне выше третьего только в двух конечных станциях. Исходные данные шифруются в оконечном устройстве источника сообщений. Затем данные в шифрованном виде передаются без изменений через всю сеть получателю. Адресат использует тот же ключ, что и отправитель, и поэтому может дешифровать полученные данные. Эта схема кажется безопасной с точки зрения защиты от воздействий в канале связи или узлах коммутации пакетов. Однако и у такого подхода есть слабое место.

Какую часть каждого пакета при сквозном шифровании должен шифровать источник? Предположим, что шифрует весь пакет, включая заголовок. Но этого делать нельзя, так как выполнить расшифровку сможет только получатель. ЦКП, получивший такой пакет, не сможет прочитать заголовок и поэтому не сумеет переслать пакет в соответствии с адресом. Отсюда следует, что отправитель должен шифровать только ту часть пакета, которая содержит данные пользователя, и оставить заголовок нетронутым.

Итак, при сквозном шифровании данные пользователя оказываются защищенными, чего нельзя сказать о самом потоке данных, поскольку заголовки пакетов передаются в открытом виде. Возможность изучения структуры потока по адресам проходящих пакетов называется анализом трафика . Чтобы достичь более высокого уровня защищенности, необходима комбинация канального и сквозного шифрования, например, как показано на рис. 8, на котором приведена сеть коммутации пакетов с четырьмя центрами коммутации ЦКП. К трем из этих ЦКП подключены оконечные устройства a 1 {\displaystyle ~a_{1}} , a 2 {\displaystyle ~a_{2}} , a 3 {\displaystyle ~a_{3}} . Рассмотрим следующую ситуацию. Два оконечных устройства устанавливают соединение для передачи данных с использованием шифрования. Сообщения передаются пакетами, состоящими из заголовка и поля данных. Какую часть пакета должен шифровать оконечный пункт-источник сообщения?

При использовании обеих форм шифрования узел-источник шифрует на уровне выше третьего пакет данных пользователя, используя ключ сквозного шифрования. Затем весь пакет шифруется с помощью ключа канального шифрования. При движении пакета по сети каждый коммутатор сначала дешифрует пакет с применением ключа шифрования соответствующего канала, чтобы прочитать заголовок, а затем снова шифрует весь пакет для передачи его по следующему каналу. Теперь весь пакет защищен почти все время – за исключением времени, когда он находится в памяти коммутатора пакетов, где заголовок пакета оказывается открытым.

Сети Х.25 являются на сегодняшний день самыми популярными сетями с коммутацией пакетов в основном из-за того, что долгое время они были единственными доступными сетями такого типа, а также из-за того, что они хорошо работают на ненадежных линиях. Стандарт X.25 "Интерфейс между оконечным оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования" был разработан комитетом МККТТ для предоставления терминалам доступа к многочисленным удаленным мейнфреймам через сеть коммутации пакетов. Поэтому этот стандарт наилучшим образом подходит для передачи трафика низкой интенсивности, характерного для терминалов, и в меньшей степени соответствует более высоким требованиям трафика локальных сетей.

Сеть коммутации пакетов состоит из центров коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными каналами обмена (рисунок 17.7).

Рис. 17.7. Сеть коммутации пакетов X. 25

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

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

К основным функциям ПАД относятся:

Сборка символов, полученных от асинхронных терминалов, в пакеты,

Разборка полей данных в пакетах и вывод данных на асинхронные терминалы,

Управление процедурами установления соединения и разъединения, сброса и прерывания,

Передача символов, включающих стартстопные сигналы и биты проверки на четность. по требованию асинхронного терминала,

Продвижение пакетов при наличии соответствующих условий, таких как заполнение пакета, истечение времени ожидания и др.

На физическом уровне определены протоколы X.21 и X.21bis. Протокол физического уровня X.21 определяет интерфейс между компьютером и цифровым каналом связи, а X.21bis - между компьютером и аналоговым каналом (с использованием модемов).

На канальном уровне используется подмножество протокола HDLC. обеспечивающее возможность автоматической передачи в случае возникновения ошибок в линии. Предусмотрена возможность выбора из двух процедур доступа к каналу: LAP или LAPB.

На сетевом уровне определен протокол X.25/3 обмена пакетами между оконечным оборудованием и сетью передачи данных.

Сетевой уровень реализуется с использованием 14 различных типов пакетов. Так как надежную передачу данных обеспечивает уже упомянутый протокол LAP-B, то протокол X.25/3 выполняет функции маршрутизации пакетов и управления потоком пакетов.

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

Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу в том, что не требуется устанавливать соединение или разъединение. Обмен пакетами по PVC может происходить в любой момент времени. PVC формируется системой управления сетью. Отличие PVC от выделенной линии типа 64 Кб/с в том, что пользователь не имеет никаких гарантий относительно действительной пропускной способности PVC. Поэтому использование PVC обычно намного дешевле, чем аренда выделенной линии.

Маршрутизация на основе виртуальных каналов - это обычный прием, используемый в глобальных сетях. Кроме сетей X.25, такая техника применяется в сетях frame relay и АТМ. Суть такой маршрутизации показана на рисунке 17.8. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета - запрос на установление соединения - который содержит длинный адрес узла-адресата, а также номер виртуального соединения, присвоенного данному виртуальному соединению в узле-отправителе, например, 15. Адрес назначения используется для маршрутизации пакета на основании таблиц маршрутизации, аналогичных тем, которые использовались при описании протоколов RIP или OSPF. В приведенном примере оказалось необходимым передать пакет с порта 1 на порт 0. Одновременно с передачей пакета маршрутизатор изменяет у пакета номер виртуального соединения - он присваивает пакету первый неиспользованный номер виртуального канала для данного коммутатора. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список использованных и свободных номеров виртуальных соединений. В таблице коммутации входного порта маршрутизатор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с номером 15, должны передаваться на порт 0, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10, Одновременно делается и соответствующая запись в таблице коммутации порта 0 - пакеты с номером 10 нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 15.

Рис. 17.8. Коммутация в сетях с виртуальными соединениями.

В результате действия такой схемы пакеты данных уже не несут длинные адреса конечных узлов, а имеют в служебном поле только номер виртуального канала, на основании которого и производится маршрутизация всех пакетов, кроме пакета запроса на установление соединения. В сети прокладывается виртуальный канал, который не изменяется в течение всего времени существования соединения. Пакеты в виртуальном канале циркулируют в двух направлениях, причем конечные узлы не замечают изменений номеров виртуальных каналов при прохождении пакетов через сеть.

За уменьшение служебного заголовка приходится платить невозможностью баланса трафика внутри виртуального соединения. При отказе какого-либо канала соединение приходится также устанавливать заново.

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

Услуги по стандарту Х.25 предоставляются многими общественными сетями передачи данных - в США Sprint/Telenet, BT/Tymnet, Infonet и другими, в России - "Исток-К". "Спринт Сеть", ИАСНЕТ, РОСПАК, ИНФОТЕЛ, Релком и другими. Сети Х.25 часто являются единственной возможностью для создания международной сети, так как почти во всех странах имеются сети данного типа. Можно построить и свою собственную сеть Х.25, купив коммутационное оборудование Х.25 и арендовав выделенные линии.

Сети frame relay - сравнительно новые сети, которые гораздо лучше подходят для передачи трафика локальных сетей по сравнению с сетями X.25. Преимущество сетей frame relay заключается в их низкой избыточности, высокой емкости при низких задержках и надежности передачи данных по существующим общественным сетям. Они специально разработаны как общественные сети для соединения частных локальных сетей. Сети frame relay стандартизованы подкомитетом СС1ТТ 1.122. Они обеспечивают скорость передачи данных до 2 Мб/с и позволяют потребителю наращивать требуемую пропускную способность частями по 56 Кб/с.

Сети frame relay обеспечивают высокую пропускную способность и низкие задержки за счет исключения избыточных операций по коррекции ошибок, так как они рассчитаны на использование надежных цифровых и волоконно-оптических линий связи. Протокол frame relay занимается обнаружением ошибок только на первых двух уровнях модели OSI. в то время как в протоколе X.25 этим занимаются три уровня. Протокол frame relay, так как он работает только на первых двух уровнях модели OSI, является независимым от верхних уровней стека протокола, из-за чего его легко встраивать в сети. Существует спецификация RFC 1490, определяющая методы инкапсуляции в трафик frame relay трафика SNA и локальных сетей.

Протокол frame relay подразумевает, что коммуникационное оборудование конечных пользователей (а, точнее, протоколы сетевого и транспортного уровней, подобные IP и TCP) будут обнаруживать и корректировать ошибки за счет повторной передачи пакетов сетевого или более высоких уровней. Это требует некоторой степени интеллектуальности от конечного оборудования, что по большей части справедливо для современных локальных сетей.

Frame relay предлагает независимую адресацию пакетов. Сети frame relay, как и сети X.25, позволяют устанавливать частные виртуальные каналы между локальными сетями без добавления задержки между узлами. После установления виртуального соединения кадры frame relay маршрутизируются (транслируются, передаются, если более точно следовать переводу глагола relay) через коммутаторы сети. Стандарт frame relay определяет как постоянные виртуальные каналы (PVC), так и коммутируемые (SVC), но в большинстве коммерческих сетей frame relay реализованы в основном сервисы постоянных коммутируемых каналов.

Поле номера виртуального соединения (DLCI) состоит из 11 битов и называется идентификатором связи данных. Это поле содержит номер виртуального канала, соответствующий определенному порту сетевого моста или маршрутизатора. Посылающее устройство помещает этот адрес в кадр (фрейм) и передает кадр в сеть для перемещения к приемному устройству.

Поле данных может иметь размер до 4056 байтов.

В сетях frame relay предусмотрена процедура заказа качества обслуживания, отсутствующая в сетях Х.25. Для каждого виртуального соединения определяются несколько параметров, Два параметра определяют среднюю скорость соединения:

CIR (Committed Information Rate) - средняя скорость, с которой сеть согласна передавать данные пользователя,

CBS (Committed Burst Size) - максимальное количество битов, которое сеть согласна передать от этого пользователя за интервал времени Т.

Если эти величины определены, то время Т определяется формулой

На рисунке 17.9 приведен пример использования сети frame relay пятью удаленными региональными отделениями корпорации. Обычно доступ к сети осуществляется каналами с большей пропускной способностью, чем CIR - пропускная способность канала должна быть равна по крайней мере величине CBS/T. Но при этом пользователь платит не за пропускную способность канала, а за заказанные величины CIR и CBS.

Для управления потоком кадров в сетях frame relay используются механизмы оповещения конечных пользователей о том, что в коммутаторах сети возникли перегрузки (переполнение необработанными кадрами). Бит FECN

Рис. 17.9. Пример использования сети frame relay

(Forward Explicit Congestion Bit) кадра извещает об этом принимающую сторону. На основании значения этого бита принимающая сторона должна с помощью протоколов более высоких уровней (TCP/IP. SPX и т.п.) известить передающую сторону о том, что та должна снизить интенсивность отправки пакетов в сеть.

Бит BECN (Backward Explicit Congestion Bit) извещает о переполнении в сети передающую сторону и является рекомендацией немедленно снизить темп передачи. Бит BECN обычно отрабатывается на уровне устройств доступа к сети frame relay - маршрутизаторов, мультиплексоров и устройств CSU/DSU.

В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. Но если конечный пользователь нарушает условия, определяемые параметрами его соединения CIR и CBS, то сеть может просто отбрасывать (не передавать) "избыточные кадры" пользователя, выходящие за рамки договоренностей. Для этого в кадре имеется бит DE (Discard Eligible) -"удаление желательно", который устанавливается при превышения конечным узлом максимальной интенсивности трафика. И если в коммутаторе сети возникает перегрузка, то он может отбрасывать кадры с установленным битом DE.

Сервис frame relay обычно предоставляют те же операторы, которые эксплуатируют сети X.25. Большая часть производителей выпускает сейчас коммутаторы, которые могут работать как по протоколам Х.25, так и по протоколам frame relay.