Передача даних в мережах на виділених каналах.

Методи передачі даних канального рівня

Протоколи канального рівня призначені:

1) Оформляють передані з верхнього рівня (функції з адресою призначення) в кадри власного формату, поміщаючи вказану адресу

призначення в одне з полів такого кадру, а також супроводжуючи кадр контрольною сумою.

2) Працюють такі протоколи в межах мереж з простою топологією або на багатосегментних мережах Ethernet і Tonen Ping іерархічної топології, розділених тільки мостами і комутаторами.

3) Для зв'язку типу «крапка - крапка» в глобальних мережах, коли протокол початкового рівня відповідає за доставку кадру безпосередньо

сусіду. Адреса в цьому випадку не має принципового значення і важливо відновлювати спотворені і загублені кадри, оскільки канали тут низької якості.

Канальні протоколи мають наступні основні властивості (методи передачі):

- Асинхронно/асинхронний;

- З попереднім встановленням з'єднання (дейтаграмнный);

- Символьний - орієнтований (бітий - орієнтований);

- З виявленням спотворених даних (без виявлення);

- З виявленням втрачених даних (без виявлення);

- З відновленням спотворених і втрачених даних (без відновлення);

- З підтримкою динамічної компресії даних;

 

 

Синхронні символьний - орієнтовані і бітий - орієнтовані протоколи

В синхронних протоколах між символами (байтами), що пересилаються, немає стартовий і стопових сигналів, тому окремі символи в цих протоколах пересилати не можна. Всі обміни даними здійснюються кадрами, які мають в загальному випадку заголовок поле даних і кінцевик.

 

 

Кадр 1 Кадр 2

Синхробіти

Службова інформація

Дані

КС

 

Кадри синхронних протоколів

 

Оскільки байти в цих протоколах не відділяються один від одного службовими сигналами, то однією з перших задач приймача є розпізнавання межі байт. Потім приймач повинен знайти початок і кінець кадру а також визначити межі кожного поля кадру - адреси призначенні, адреси джерела, інших полів заголовка, поле даних і контрольної суми (КС), якщо вона є.

Більшість протоколів допускає використовування в кадрі поля даних. Іноді і заголовок може мати змінну довжину. Звичайно тоді є max довжина поля даних іноді і min довжина поля даних (min довжина - в Ethrnet) якщо немає такої min кількості даних, то це поле доповниться заповнювачем.

Якщо протоколи (наприклад, FDDI),где дозволено не поява поля даних нульової довжини. Існують такі протоколи з фіксованою

довгою кадрів. Наприклад АТМ має довжину кадру 53 байт (включаючи і службову інформацію). В таких протоколах достатньо розпізнавати початок кадру.

Основна відмінність між символьний - орієнтованими (байт - орієнтованимиі бітий - орієнтованими а методі синхронізації символів і кадрів.

Символьно- орієнтовані протоколи використовуються в основному для передачі блоків символів, наприклад, текстових файлів.

Синхронізація здійснюється за рахунок того, що передавач додає два або більш управляючих символу, званих символами SYN перед кожним блоком символів. В коді ASC II символ SYN має подвійне значення, дозволяє легко розмежовувати окремі символи

SYN при їх подальшому прийомі.

Символи SYN виконують дві функції:

1) Забезпечують приймачу побітную синхронізацію;

2) Як тільки бітова синхронізація досягається вони дозволяють приймачу почати розпізнавання меж символів SYN.

 

Після того, як приймач почав відділяти один символ від іншого, можна задавати межі початку кадру за допомогою іншого спеціального

символу. Звичайно в символьних протоколах для цієї мети використовується символ STX (Start Text, ASC II 000010). Інший символ відзначає закінчення кадру - ETX (End Text, ASC II 000011).

Проте такий простий спосіб виділення початку і кінця кадру добре працював, якщо усередині кадру не було символу STX і ETX.

При підключенні до комп'ютера алфавітно-цифрових терміналів така задача дійсно неможлива. Проте символьний - орієнтовані протоколи пізніше стали використовуватися і для зв'язку комп'ютера з комп'ютером. А в цьому випадку дані можуть бути будь-хто (наприклад, коли передаються програми) у тому числі і STX і ETX. Найпопулярнішим протоколом для такого зв'язку був протокол BSC компанії IBM. Він працював в двох режимах - непрозорому (коли

передача усередині кадру символу ETX заборонена) і прозорому, коли всі символи можна передавати. Прозорість досягалася за рахунок того, що між управляючими символами STX і ETX завжди вставлявся символ DLE (Data Link Escape).

Така процедура називається стафінгом символів (staff - всяка величина, заповнювач). А якщо в полі даних кадру зустрічалася послідовність DLE ETX, то передавач подвоював символ DLE, тобто породжував послідовність

DLE DLE TTX. Приймач, зустрівши підряд два символи DLE DLE, завжди подвоював перший але залишилося DLE вже не розглядав як початок управляючої послідовності, тобто символи DLE ETX, що залишилися, вважав

просто призначеними для користувача даними.

 

Бітий - орієнтовані протоколи

В попередньому протоколі введення додаткових символів DLE робив їх неефективними для передачі даних. І крім того формат управляючих

символів для різних кодувань розрізнений. Тому зараз, як правило використовується біт - орієнтована передача, при чому як для передачі даних, так і символьних даних. На малюнку показані

3 різної системи біт - орієнтованої передачі. Вони відрізняються способом позначення початку і кінця кожного кадру.

 

 

а) напрям передачі

 

 

відкриваючий

прапор вміст закриваючий

кадру прапор

 

 

11011001111101101111100…1

Біт-стафінг

відкриваючий прапор Вміст кадру закриваючий прапор

 

б)

101010…10

преамбула стартовий фіксований довжина поля поле даних фіксований.

обмежувач заголовок даних кінцевик

кадру (байти)

 

 

в)

преамбула

jk0jk000

Jk1jk111

 

Стартовий обмежувач Вміст Стоповий обмежувач.

кадру кадру

 

1 0 j k 0 j k 0 0 0

В схемі а) почало і кінець кожного кадру відрізняються прапором - 01111110. Термін «біт - орієнтований» використовуються тому що потік біт, що приймається, сканується приймачем на побітовій основі для виявлення стартового прапора. Тому довжина кадру не обов'язково повина бути кратна 8 біт.

 

Щоб забезпечити синхронізацію приймача, передавач посилає послідовність байтів простій (кожний складається з 11111111), передуючу стартовому прапору.

Для досягнення прозорості даних в цій схемі необхідно, щоб прапор не був присутній в полі даних кадру. Це досягається за допомогою біт - стафінгу (вставка 0-біта). Схема вставки біта працює під час передачі поля даних: після п'яти підряд переданих одиниць вставляють додатковий нуль,

навіть якщо після цих одиниць передається нуль. Тому послідовність 01111110 ніколи не з'являється в полі даних.

В приймачі ця схема, коли знаходить після п'яти одиниць нуль, то автоматично його видаляє.

 

Біт - стафінг більш економічний, ніж байт - стафінг. В схемі б) для виявлення початку кадру використовується тільки стартовий прапор, а для визначення кінця кадру використовується поле даних кадру яке при фіксованих розмірах заголовка і кінцевика по суті має сенс довжини поля даних кадру. Ця схема застосовується в ЛВС.

В ЛВС при незайнятості сліди взагалі символів не передається. Щоб всі станції увійшли до бітової синхронізації посилаюча станція представляє вміст кадру преамбулою: 10101010. Увійшовши до побітової синхронізації, приймач досліджує вхідний потік на побітовій основі, поки не знайде байт початку кадру 10101011, який виконує роль символу STX. За цим символом слідує заголовок кадру, в якому у визначеному місці знаходиться поле довжини поля даних. Тобто в цій схемі приймач просто відлічує задану кількість байт, щоб визначити закінчення кадру.

Схема в) використовує для позначення початку і кінця кадру прапори, які включають заборонені для даного коду сигнали. Наприклад

при манчестерсном кодуванні замість обов'язкової зміни полярності в середині тактового інтервалу рівень сигналу залишається

незмінним (низьким - j, високим - К). Початок кадру jk00jk000, а кінець - jk1jk111. Цей спосіб економічний, оскільки не потрібен біт- стафінг.

Недолік: залежність від прийнятого методу фізичного кодування. При використовуванні надмірних кодів роль сигналів j і К

грають заборонені символи, наприклад в коді 4В/5В цими символами є коди 11000 і 10001.

Кожна з трьох схем має свої достоїнства і недоліки.

Протоколи з гнучким форматом кадру

Для більшої частини протоколів характерні кадри, що складаються із службових полів фіксованої довжини. Виключення - поля даних, які можуть мати різну довжину, сто дозволяє економічну пересилку, як невеликих квитанцій, так і великих файлів (див. вище для ЛВС).

Проте ряд протоколів використовують кадри з гнучкою структурою. Наприклад, прикладний протокол управління мережами SNMP, і протокол канального рівня РРР, що використовується для з'єднання типу «крапка-крапка. Кадри таких протоколів складаються з невизначеної кількості полів, кожне з яких може мати змінну довжину. Початок такого кадру наголошується деяким стандартним чином, наприклад, за допомогою прапора а потім протокол послідовно переглядає поля кадру і визначає їх кількість і розміри. І кожне поле описується двома додатковими полями фіксованого розміру. Наприклад, якщо в кадрі зустрічається поле що містить деякий символьний рядок, то в кадр вставляється три поля.

Тип	Довжина	Значення
string	б	public

 

 

Додаткові поля «біт» і «Довжина» мають фіксований розмір в один байт, тому протокол легко знаходить межі поля «Значення». Оскільки кількість таких полів також невідомо, для визначення загальної довжини кадру використовується або загальне поле «Довжина» яке поміщається на початку кадру і відноситься до всіх полів даних, або закриваючий прапор.

 

Передача зі встановленням з'єднання і без встановлення з'єднання

 

Глобальні зв'язки на основі виділених ліній

Виділений канал – це канал з фіксованою смугою пропускання або з фіксованою пропускною спроможністю, який постійно сполучає двох абонентів.

Виділені канали діляться на аналогові і цифрові (FDM і TDM).

На аналогових виділених лініях для апаратури передачі даних фізичний і канальний протоколи жорстко не визначені. Тому пропускна спроможність аналогових каналів залежить від пропускної спроможності модемів, які використовує користувач каналу.

На цифрових виділених лініях протокол фізичного рівня зарезервований – він заданий стандартом T.703.

На канальному рівні аналогових і цифрових виділених каналів звичайно використовуються один з протоколів сімейства HDLC або більш пізній протокол PPP, побудований на основі HDLC для зв'язку багатопротокольних мереж.

Аналогові виділені лінії зв'язку

Виділені аналогові канали надають користувачу з 4-х дротяним або 2-х дротяним закінченням.

Виділені лінії можуть бути розділені на дві групи і по іншій ознаці – наявності проміжної апаратури комутації і посилення або її відсутності.

Першу групу складають навантажені лінії, що проходять через устаткування частотного ущільнення (FDM-комутатори і мультиплексори), розташовані на АТС. Використовують два типи виділених каналів: 1) канали тональної частоти зі смугою 3,1 КГц; 2) широкосмуговий канал зі смугою 48 КГц. (від 60 до 108 КГц). Широкосмугові канали використовуються для зв'язку АТС між собою.

Друга група виділених каналів – ненавантажені фізичні дротяні лінії. Вони використовуються звичайно для зв'язку близько лежачих будівель.

При невеликій довжині ненавантажена лінія володіє широкою смугою пропускання, а іноді до 1 Мгц. Це дозволяє передавати імпульсні немодульовані сигнали.

При передачі даних по навантажених локальних мережах використовують модеми. Для модемів розроблені стандарти, які діляться на 3 групи:

- стандарти, що визначають швидкість передачі і метод кодування

- стандарти виправлення помилок

- стандарти стиснення даних.

Модеми діляться залежно від режиму роботи:

- модеми, що підтримують тільки асинхронний режим роботи (V до 1200 біт/с)

- модеми підтримуючі асинхронний і синхронний режими роботи

- модеми, що підтримують тільки синхронний режим роботи.

Асинхронні модеми можуть використовувати як 4-х дротяні локальні мережі, так і 2-х дротяні (тоді для дуплексного режиму частотне ущільнення).

Синхронні модеми можуть використовувати тільки 4-х дротяні локальні мережі і дуплексний режим. Для них стандарт V:

V.26 – із швидкістю 2400 біт/с

V.27 – із швидкістю 4800 біт/с

V.29 – із швидкістю 9600 біт/с

V.32 ter – із швидкістю 19,2 Кбіт/с.

Для виділеного широкосмугового каналу 60-108 КГц існує три стандарти:

V.35 – із швидкістю 48 Кбіт/с

V.36 – із швидкістю 48-72 Кбіт/с

V.37 – із швидкістю 96-168 Кбіт/с

Корекція помилок в синхронному режимі реалізується по протоколу HDLC, але допустимі і протоколи SDLC і BSC компанії IBM.

Модеми стандартів V.35, V.36 і V.37 використовуються для зв'язку з DTE інтерфейс V.35.

Модеми в асинхронно-синхронному режимі самі універсальні. Вони звичайно використовують 2-х дротяні ЛС, але можуть використовувати і 4-х дротяні.

Для асинхронно-синхронних модемів ряд стандарту V:

V.22 для швидкості передачі 1200 біт/с

V.22 bis – 2400 біт/с

V.26 ter – 4800 біт/с

V.32 – 9600 біт/с

V.32 bis – 14400 біт/с

V.34 – 28,8 Кбіт/с

V.34 + – 33,6 Кбіт/с

Стандарт V.34 розроблений в 1994г. для передачі даних по каналах практично будь-якої якості. Особливістю стандарту V.34 є процедура динамічної адаптації до зміни характеристик каналу під час обміну інформацією. Адаптація здійснюється в ході сеансу зв'язку – без припинення і без розриву встановленого з'єднання.

У стандарті V.34 визначено 10 процедур, по яких модем після тестування лінії вибирає свої основні параметри: несучу і смугу пропускання (вибір проводиться з 11 комбінацій), фільтри передавача, оптимальний рівень передачі і інші. Первинне з'єднання модемів проводиться за стандартом V.21 на мінімальній швидкості 100 біт/с, що дозволяє працювати на найпоганіших лініях. Для кодування даних використовуються надмірні коди амплітудної модуляції квадратури QAM. Вживання адаптивних процедур відразу дозволило підняти швидкість передачі даних більш ніж в 2 рази в порівнянні з попереднім стандартом V.32 bis.

У стандарті V.32 + швидкість істотно збільшена за рахунок поліпшеного методу кодування. Один передаваний кодовий символ несе 9,8 біти (а в V.32 – 8,4 біти). При передачі кодових символів з максимальною швидкістю 3429 біт/с (це обмеження подолати не можна, оскільки воно визначається смугою пропускання каналу тональної частоти) вдосконалений метод кодування дає швидкість передачі даних 33,6 Кбіт/с. Проте, навіть в Америці тільки 30% телефонних ліній мають такий низький рівень перешкод, який дозволяє вести передачу з максимальною швидкістю.

Протоколи V.34 і V.34 + дозволяють працювати на 4-х дротяних лініях в дуплексному режимі. Дуплексний режим забезпечується не за допомогою частотного розділення, а за допомогою одночасної передачі даних в обох напрямах. Сигнал, що приймається, визначається відніманням за допомогою сигнальних процесів (DSP) передаваного сигналу із загального сигналу в каналі. Для цієї операції використовуються також процедури луна-придушення, оскільки передаваний сигнал, відображаючись від ближнього і дальнього кінців каналу, вносить спотворення в загальний сигнал (метод передачі даних, описаний в проекті стандарту 802.3ab, що визначає роботу технології Gigabit Ethernet на витій парі категорії 5, узяв багато що із стандартів V.32 – V.34+).

На високій швидкості модеми V.32 – V.34 використовують синхронний режим роботи. При цьому вони можуть працювати з DTE як по асинхронному інтерфейсу, так і по синхронному.

Цифрові виділені лінії

Цифрові виділені лінії утворюються шляхом постійної комутації в первинних мережах, побудованих на базі комутаційної апаратури, що працює на принципах розділення каналу в часі – TDM.

Існує два покоління технологій цифрових первинних мереж – технологія плезиохронной (майже синхронної) цифрової ієрархії (PDH) і більш пізня технологія – синхронна цифрова ієрархія (SDH). В Америці технології SDH відповідає стандарт SONET.

Технологія PDH

Цифрова апаратура мультиплексування і комутації була розроблена в кінці 60-х років фірмою AT&T для вирішення проблеми зв'язку крупних комутаторів телефонних мереж між собою. Канали з частотним ущільненням вичерпали свої можливості по організації високошвидкісного зв'язку між АТС – АТС. В технології FDM для одночасної передачі даних 12 або 60 абонентних каналів потрібне вита пара, а для підвищення швидкості доводиться прокладати кабелі з великою кількістю пар провідників або більш дорогі коаксіальні кабелі. Крім того метод частотного ущільнення (FDM) чутливий до перешкод.

Для вирішення цієї задачі розроблена апаратура T1, яка дозволяла в цифровому виді мультиплексирувати, передавати і комутувати дані 24 абонентів! Оскільки абоненти користувалися звичними телефонними апаратами, тобто передача голосу йшла в аналоговій формі, то мультиплексори T1 самі здійснювали оцифровані голоси з частотою 8000 Гц і кодували голос за допомогою імпульсно-кодової модуляції. В результаті кожний абонентний канал утворював цифровий потік даних 64 Кбіт/с. Для з'єднання магістральних АТС канали T1 були дуже слабкими засобами мультиплексування, тому в технології реалізована ідея утворення каналів з ієрархією швидкостей. Чотири канали типа T1 об'єднуються в канал наступного рівня цифрової ієрархії – T2, передаючих дані із швидкістю 6,312 Мбіт/с, а сім каналів T2 дають при об'єднанні канал T3, що передає дані із швидкістю 44,736 Мбіт/с. Апаратура Т1, Т2 і Т3 може взаємодіяти між собою, утворюючи ієрархічну мережу з магістральними і периферійними каналами трьох рівнів швидкостей.

У міжнародному стандарті аналогами каналів Т є канали типа Е1, Е2 і Е3 з іншими швидкостями – відповідно 2,048 Мбіт/с, 8,488 Мбіт/с і 34,368 Мбіт/с. Американський варіант технології також був стандартизований ANSI.

На практиці застосовують в основному канали Т1/Е1 і Т3/Е3.

Мультиплексор Т1 передає кадри в кожному з яких передається по одному байту від кожного абонента (всього – 24), а 25-й байт – це байт синхронізації.

У кожному байті 7 біт передають інформацію, а призначення 8-го біта різне і залежить від типу передаваної інформації.

При передачі голосу в мережах Т1 всі 24 канали є абонентами, тому управляюча і контрольна інформація передаються 6-м бітом виміру голосу.

При передачі комп'ютерних даних канал Т1 надає для даних тільки 23 канали, а 24-й канал відводиться для службових цілей, в основному – для відновлення спотворених кадрів. Для одночасної передачі як голосових, так і комп'ютерних даних використовуються всі 24 канали, причому комп'ютерні дані передаються із швидкістю 56 Кбіт/с (без 8-го біта).

Техніка використовування восьмого біта для службових цілей одержала назву «крадіжка біта».

Табл. 6.2 Ієрархія швидкостей

Америка	CCITT (Європа)
Позначення швидкості	К-ть голосових каналів	К-ть каналів попереднього рівня	Швидкість Мбіт/с	К-ть голосових каналів	К-ть каналів попереднього рівня	Швидкість Мбіт/с
DS-0			64 Кбіт/с			64 Кбіт/с
DS-1			1,544			2,048
DS-2			6,312			8,488
DS-3			44,736			34,368
DS-4			274,176			139,264

 

При мультиплексуванні 4-х каналів Т1 в один канал Т2 між кадрами DS-1 як і раніше використовується один біт синхронізації, а кадри DS-2 (які складаються з 4-х послідовностей кадрів DS-1) розділяються 12 службовими бітами, які використовуються не тільки для розділення кадрів, але і для їх синхронізації. Відповідно, кадри DS-3 складаються з 7 кадрів DS-2, розділених службовими символами.

Міжнародна версія цієї технології більш логічна. Вона не використовує схеми «крадіжки біта». Крім того, вона заснована на постійному коефіцієнті кратності швидкості 4 при переході до наступного рівня ієрархії. Замість восьмого біта в каналі Е1 на службові цілі відводиться 2 байти з 32. Для голосових каналів або каналів даних залишається 30 каналів із швидкістю 64 Кбіт/с кожний.

Фізичний рівень технології PDH підтримує різні види кабелів: виту пару, коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель. Основний варіант абонентного доступу до каналів Т1/Е1 є кабель з 2-х витих пар (це потрібно для дуплексного режиму), швидкість передачі 1,544/2,048 Мбіт/с. Для посилення сигналу на лініях Т1 через кожні 1800 м (1 миля) встановлюються регенератори і апаратура контролю лінії.

Коаксіальний кабель дякуючи совій широкій смузі пропускання підтримує канал Т2/Е2 або 4 канали Т1/Е1. Для роботи каналів Е3/Т3 звичайно використовується або коаксіальний кабель, або оптоволоконний кабель, або канали СВЧ.

Недоліки:

1) складність операцій мультиплексування і демультиплексування. (причина – відсутність повної синхронності даних)

2) відсутність розвинених вбудованих процедур контролю і управління мережею.

3) дуже низькі за сучасними поняттями швидкості

Всі ці недоліки усунені в новій технології первинних цифрових мереж, що одержали назву синхронної цифрової ієрархії (SDH).

Технологія синхронної цифрової ієрархії SONET/SDH

Стандарт SONET з'явився в 1984г. Потім був створений міжнародний стандарт SDH, а стандарт SONET був допрацьований, таким чином, що апаратура і стеки SDH і SONET стали сумісні і можуть мультиплексувати вхідні потоки практично будь-якого стандарту PDH – як американського, так і європейського.

Ієрархія швидкостей SDH/SONET показана в табл. 6.3

Таблиця 6.3 Ієрархія швидкостей SDH/SONET

SDH	SONET	Швидкість
-	STS-1, OC-1	51,840 Мбіт/с
STM-1	STS-3, OC-3	155,520 Мбіт/с
STM-3	STS-9, OC-9	466,560 Мбіт/с
STM-4	STS-12, OS-12	622,080 Мбіт/с
STM-6	STS-18, OC-18	933,120 Мбіт/с
STM-8	STS-24, OC-24	1,244 Гбіт/с
STM-12	STS-36, OC-36	1,866 Гбіт/с
STM-16	STS-48, OC-48	2,488 Гбіт/с

У стандарті SDH всі рівні швидкостей і формати кадрів мають загальну назву: STM-n. В технології SONET STS-n означає швидкість передачі електричних сигналів, а ОС-n – швидкість передачі світловим променем по оптоволоконному кабелю.

Швидкість 155,520 Мбіт/с узята як початкова для того, щоб передавати дані рівня DS-4 швидкість яких 139,264 Мбіт/с. У STM-1 дещо більша швидкість для передачі службових заголовків кадрів SONET/SDH.

Кадри даних технологій SONET і SDH, звані також циклами, по формату співпадають, починаючи із загального рівня STS-3/STM-1. Ці кадри володіють вельми великою надмірністю, оскільки передають велику кількість службової інформації для:

- забезпечення гнучкості схеми мультиплексування потоків даних різних швидкостей, що дозволяють вставляти (add) і витягувати (drop) призначену для користувача інформацію будь-якого рівня швидкості, не демультиплексуючи весь потік;

- забезпечення відмовостійкості мережі;

- підтримка операцій контролю і управління на рівні протоколу мережі;

- синхронізації кадрів у разі невеликого відхилення частот двох мереж, що сполучаються.

Стек протоколів і основні структурні елементи мережі SONET/SDH показані на мал. 6.7.

 

Мал. 6.7 Стек протоколів і структура мережі SONET/SDH.

T - Термінальні пристрої (сервісні адаптери SH) - приймають призначені для користувача дані від низькошвидкісних каналів технології DDH (типа Т1/Е1 або Т3/Е3) і перетворять їх в кадри STS-n.

Мультиплексори приймають дані від термінальних пристроїв і мультиплексують потоки кадрів різних швидкостей STS-n в кадри більш високої ієрархії STS-m.

Мультиплексор введення-виведення може приймати і передавати транзитом потік певної швидкості STS-n, вставляючи або видаляючи на ходу, без повного мультиплексування, призначені для користувача дані, що приймаються з низькошвидкісних входів.

Регенератори сигналів використовуються для відновлення потужності і форми сигналів.

Фізичний рівень (донний) має справу з кодуванням біт інформації за допомогою модуляції.

Рівень секції підтримує фізичну цілісність мережі (секція – це кожний відрізок волоконно-оптичного кабелю, який сполучає пари пристроїв SONET/SDH між собою, наприклад мультиплексор і регенератор). Протокол секції має справу з кадрами і на основі службової інформації кадру може проводити тестування секції і підтримувати операції адміністративного контролю. В заголовку протоколу секції є байти, які створюють звуковий канал 64 Кбіт/с. Заголовки секцій завжди починаються з двох байт 1111011000101000, які є прапорами початку кадру. Наступний байт визначає рівень кадру: STS-1, STS-2 і т.д. За кожним бітом кадру закріплений певний ідентифікатор.

Рівень лінії відповідає за передачу даних між двома мультиплексорами мережі. Протокол цього рівня працює з кадрами різних рівнів STS-n для виконання операцій мультиплексування і демультиплексування, а також вставки і видалення призначених для користувача даних. Таким чином, лінією називається потік кадрів одного рівня між двома мультиплексорами. Протокол лінії відповідає за проведення операцій реконфігурації лінії у разі відмови якогось елементу.

Рівень тракту відповідає за доставку даних між двома кінцевими користувачами. Протокол повинен прийняти дані, що поступають в призначеному для користувача форматі (наприклад Т1) і перетворити в синхронні кадри STS-n/STS-m.

Формат кадру STS-1 представлений на мал. 6.8

 

Мал. 6.8 Формат кадру STS-1

Кадри технології SONET/SDH прийнято представляти у вигляді матриці, що складається з n рядків і m стовпців. Таке уявлення добре відображає структуру кадру з свого роду підкадрами, званими віртуальними контейнерами (VC – термін SDH) або віртуальними притоками (VT – термін SONET). Віртуальні контейнери – це підкадри, які переносять потоки даних, швидкості яких нижче, ніж початкова швидкість технології SONET/SDH на 51,84 Мбіт/с (наприклад, потік даних Т1 із швидкістю 1,544 Мбіт/с.)

Кадр STS-1 складається з 9 рядків і 90 стовпців, тобто з 810 байт даних. Між пристроями мережі кадр передається послідовно по байтах – спочатку перший рядок зліва направо, потім друга і т.д. Перші 3 рядки є заголовком з 9 байт протоколу рівня секції і містить дані, необхідні для контролю і реконфігурації секції. Решта 6 рядків складає заголовок протоколу лінії, який використовується для реконфігурації, контролю і управління лінією. Пристрої мережі, які працюють з кадрами, мають достатній буфер для розміщення в ньому всіх байт кадру, протікаючих синхронно через пристрій. Тому пристрій для аналізу інформації на деякий час має повний доступ до всіх частин кадру. Таким чином, розміщення службової інформації в несуміжних байтах не представляє складності для обробки кадру.

Ще один стовпець є заголовком протоколу шляху. Він використовується для вказівки місцеположення віртуальних контейнерів усередині кадру, якщо кадр переносить низькошвидкісні дані призначених для користувача каналів типа Т1/Е1. Місцеположення віртуальних контейнерів задається не жорстко, а за допомогою системи покажчиків.

Концепція покажчиків є ключовою в технології SONET/SDH. Покажчик покликаний забезпечити синхронну передачу байт кадрів з асинхронним характером даних, що вставляються і видаляються.

Покажчики використовуються на різних рівнях. Розглянемо як за допомогою покажчика виконується виділення поля даних кадру з синхронного потоку байт. Не дивлячись на живлення всіх пристроїв мережі SONET/SDH тактовою частотою синхронізації і одного центрального джерела, синхронізація між різними мережами може трохи порушитися. Для компенсації цього ефекту початку поля даних кадру (званого SPE) дозволяється зміщуватися відносно початку кадру довільним чином. Реальний початок поля SPE задається покажчиком H1, розміщеним в заголовку протоколу лінії. Кожний вузол, що підтримує протокол лінії, зобов'язаний стежити за частотою поступаючих даних і компенсувати її неспівпадання з власною частотою за рахунок вставки або видалення одного байта із службового заголовка. Потім вузол повинен наростити або зменшити значення покажчика першого байта поля даних CPE щодо початку кадру STS-1. В результаті поле даних може розміщувати в двох послідовних кадрах, як показано на мал. 6.9

 

Мал. 6.9. Використовування покажчиків для пошуку даних в кадрі.

Той же прийом застосовується для вставки або видалення призначених для користувача даних в потоці кадрів STS-n. Призначені для користувача дані каналів типа Т1/Е1 або Т3/Е3 асинхронні по відношенню до потоку байтів кадру STS-n. Мультиплексор формує віртуальний контейнер і користуючись покажчиком H1 знаходить початок чергового поля даних. Потім мультиплексор аналізує заголовок шляху і знаходить в ньому покажчик H4, який описує структуру віртуальних контейнерів, які містяться в кадрі. Знайшовши вільний віртуальний контейнер потрібного формату, наприклад, для 24 байт каналу Т1, він вставляє ці байти в потрібне місце поля даних кадру STS-1. Аналогічно проводиться пошук початку даних цього каналу при виконанні операції видалення призначених для користувача даних.

Таким чином, кадри STS-n завжди утворюють синхронний потік байтів, але за допомогою зміни значення відповідного покажчика можна вставити і витягнути з цього потоку байти низькошвидкісного каналу, не виконуючи повного демультиплексування.

Віртуальні контейнери також містять додаткову службову інформацію по відношенню до даних призначеного для користувача каналу, який вони переносять. Тому віртуальний контейнер для каналу Т1 вимагає швидкість передачі даних не 1,544 Мбіт/с, а 1,728 Мбіт/с.

У технології SONET/SDH існує гнучка, але достатньо складна схема використовування поля даних кадрів STS-n. Складність цієї схеми в тому, що потрібно укласти в кадр найраціональнішим способом мозаїку з віртуальних контейнерів різного рівня. Тому в технології SONET/SDH стандартизовано шість типів віртуальних контейнерів, які добре поєднуються один з одним при утворенні кадру STS-n. Існує ряд правил, по яких контейнери кожного вигляду можуть утворювати групи контейнерів, а також входити до складу контейнерів більш високого рівня.

Відмовостійкість вбудована в основні протоколи мережі. Цей механізм називається автоматичним захисним перемиканням (APS). Існує два способи його роботи. В першому способі захист здійснюється по схемі 1:1. Для кожного робочого волокна і його порту призначається резервне волокно і порт. В другому способі, званому 1:n, для захисту n волокон призначається тільки одне захисне волокно.

Протоколи канального рівня для виділених ліній

Виділені канали сполучають мости, маршрутизатори або через модеми – ПК. Тому основну задачу зв'язку вирішують протоколи фізичного рівня.

Якщо виділений канал сполучає мережі через маршрутизатори, то протокол мережного рівня визначений, а протокол канального рівня маршрутизатор може використовувати будь-кому, у тому числі і протокол канального рівня ЛОМ, наприклад Ethernet.

Проте ні мости, ні маршрутизатори на виділених каналах з протоколами канального рівня локальних мереж не працюють. Оскільки вони з одного боку надмірні, а з іншою – в них відсутні процедури, необхідні для об'єднання мереж по глобальному виділеному каналу. Наприклад, немає процедури управління потоком даних і т.д. Тому розроблені протоколи канального рівня.

Протокол SLIP

Протокол SLIP створений на початку 80-х років. Окрім виділених каналів SLIP може обслуговувати і комутувати КС. SLIP достатньо простий. SLIP виконує єдину функцію – він дозволяє в потоці біт, які поступають по виділеному каналу, розпізнати початок і кінець IP-пакету (інші мережні протоколи SLIP не підтримує).

Для розпізнавання межі IP-пакетів, протокол SLIP передбачає використовування спеціального символу END, значення якого в 16-тиричнім уявленні рівне С0. Вживання спеціального символу може породити конфлікт: якщо байт даних, що пересилаються, тотожний символу END. Щоб цього уникнути, байт даних із значенням, рівним значенню END, замінюється складовою двобайтовою послідовністю, що складається із спеціального символу ESC (DB) і коду DC. Якщо ж байт даних має той же код, що і символ SLIP ESC, то він замінюється двобайтовою послідовністю, що складається з SLIP ESC і коду DD. Після останнього байта пакету передається символ END.

Механізм формування складових послідовностей показаний на мал. 6.13

 

Рис 6.13 Механізм формування складових послідовностей

 

Тут приведений стандартний IP-пакет (один байт якого тотожній символу END, а інший – символу SLIP ESC) і відповідний йому SLIP-пакет, який більше на 4 байти.

Хоча в специфікації протоколу SLIP не визначена максимальна довжина передаваного пакету, реальний розмір IP-пакету не повинен перевищувати 1006 байт. Дане обмеження пов'язано з різними версіями SLIP.

Для встановлення зв'язку по протоколу SLIP комп'ютери повинні інформувати про IP-пакети. При цьому SLIP не може передавати адресну інформацію про пакети. Цей недолік не дозволяє використовувати SLIP деякими видами мережних служб.

Інший недолік – відсутність індикації типу протоколу. Тому SLIP може передавати трафік тільки одного протоколу IP.

SLIP не займається виявленням помилок. Цим займаються протоколи більш високих рівнів.

Для прискорення передачі пакетів проводиться зменшення службової інформації шляхом стиснення заголовків пакетів. Цим займається протокол CSLIP (IP-пакети можуть мати 20-ти байтові заголовки, ТСР пакети теж 20 байтові заголовки).

Протоколи сімейства HDLC

Протокол HDLC є сімейством протоколів, в яке входять: LAP-В, створюючий канальний рівень мереж X.25, LAP-D – канальний рівень мереж ISDN, LAP-M – канальний рівень асинхронно-синхронних модемів, LAP-F – канальний рівень мереж frame relay.

Основні принципи роботи протоколу HDLC:

- режим логічного з'єднання;

- контроль спотворених і втрачених кадрів за допомогою методу використовуючого вікна

- управління потоком кадрів за допомогою команд RNR і RR

- різні типи кадрів цього протоколу розглянуті при вивченні протоколу LLC2 (ЛВС Ethernet), який також є представником протоколу HDLC.

Проте в даний час протокол HDLC на виділених лініях витіснив протокол «крапка-крапка (Point-to-Point Protocol) » – PPP. Річ у тому, що одна з основних функцій протоколу HDLC – це відновлення спотворених і загублених кадрів. При цьому вживання HDLC в каналах (телефонні) з Рош одного біта = 10^-3, приводить до підвищення достовірності наданої інформації і Рош = 10^-9.

Проте сьогодні популярні цифрові канали з Рош =10^-8 – 10^-9. Тут не потрібні функції відновлення загублених кадрів.

При передачі по аналогових каналах сучасні модеми самі застосовують HDLC (синхронний модем – HDLC, а асинхронний модем – LAP-M, який також знаходиться в сімействі HDLC).

Тому використовування HDLC на рівні маршрутизатора або моста невиправдане.

Протокол PPP

Протокол PPP був розроблений як частина стека TCP/IP для передачі кадрів інформації по послідовним глобальному КС замість застарілого протоколу SLIP. При розробці PPP за основу був узятий формат кадрів HDLC і доповнений власними полями. Поля протоколу PPP вкладені в полі даних кадру HDLC. Пізніше були розроблені стандарти, що використовують вкладення кадру PPP в кадри frame relay і інші протоколи глобальних мереж.

Основна відмінність PPP від інших протоколів канального рівня полягає в тому, що він добивається злагодженої роботи різних пристроїв за допомогою переговорної процедури, під час якої передаються різні параметри, такі як якість лінії, протокол аутентифікації і протоколи мережного рівня, що інкапсулюються. Переговорна процедура відбувається під час встановлення з'єднання.

Протокол PPP заснований на чотирьох принципах: переговорне ухвалення параметрів з'єднання, багатопротокольна підтримка, розширюваність протоколу, незалежність від глобальних служб.

Переговорне ухвалення параметрів з'єднання

Оскільки крайові вузли часто відрізняються розмірами буферів для тимчасового зберігання пакетів, обмеженнями на розмір пакету, списком підтримуваних протоколів, а фізична лінія може бути від аналогової низькошвидкісної до високошвидкісної цифрової, тому в протоколі PPP є набір стандартних установок, діючих за умовчанням і що враховують всі стандартні конфігурації. При встановленні з'єднання два взаємодіючі пристрої для знаходження взаєморозуміння намагаються спочатку використовувати ці установки. Кожний кінцевий вузол описує свої можливості і вимоги. Потім на підставі цієї інформації приймаються параметри з'єднання, які влаштовують обидві сторони, в які входять: формати інкапсуляції даних, розміри пакетів, якість лінії і процедура аутентифікації.

Протокол, відповідно до якого приймаються параметри з'єднання, називають протоколом управління зв'язком (LCP). Протокол, який дозволяє кінцевим вузлам домовитися про те, які мережні протоколи передаватимуться у встановленому з'єднанні, називається протоколом управління мережним рівнем (NCP). Усередині одного PPP-з'єднання можуть передаватися потоки даних різних мережних протоколів.

Одним з важливих параметрів PPP-з'єднання є режим аутентифікації. Для цілей аутентифікації PPP пропонує за умовчанням протокол PAP, що передає пароль по лінії зв'язку у відкритому вигляді або протокол CHAP, що не передає пароль по лінії зв'язку і тому забезпечуючий велику безпеку мережі. Користувачу також дозволяється додавати і нові алгоритми аутентифікації. Порядок вибору алгоритмів компресії заголовка і даних аналогічний.

Багатопротокольна підтримка зумовила розповсюдження PPP як стандарту де-факто. На відміну від протоколу SLIP, який може переносити тільки IP-пакети або LAP-B, який може переносити пакети X.25, PPP працює з багатьма протоколами, включаючи IP, Novell IPX, Apple Talk, DEC net, XNS, Banyan VINES і OSI, а також протоколами локальних мереж. Кожний протокол мережного рівня конфігурується окремо за допомогою відповідного протоколу NCP. Під конфігурацією розуміється переговорне затвердження деяких параметрів протоколу. Наприклад, для IP-протоколу: IP-адреса вузла, IP-адреса серверів DSN, використовування компресії заголовка IP-пакету і т.д.. Протоколи конфігурації параметрів відповідного протоколу називаються на ім'я цього протоколу з додаванням абревіатур CP (IPCP, IPXCP і т.д.).

Розширюваність протоколу - можливість включення нових протоколів в стек PPP, незалежно від глобальних служб: PPP можна використовувати в будь-якій технології глобальних мереж (ISDN або frame relay і т.д.).