Оптимизация работы локальной сети
Избыточность и дублирование многих функций в модели OSI отмечались многими аналитиками, что реально было доказано при построении локальных сетей (LAN), которые развивались автономно и обладали следующими особенностями:
- использование каналов связи (коаксиал, витая пара, оптоволокно), обеспечивающих надежную передачу данных с низкой вероятностью ошибок;
- применение немаршрутизирующих топологий (рис.1), имеющих один путь между двумя любыми узлами сети, что позволяет обеспечить доставку кадров по анализу адреса назначения кадра Ethernet, без использования сетевого протокола;
- использование специального подуровня LLC (Logic Layer Control), обеспечивающего надежную транспортировку кадров.
Компании IBM/Microsoft до настоящего времени широко используют в своих сетях стек фирменных протоколов NetBIOS/SMB, в которых сетевой уровень фактически отсутствует, и, в то же время, протокол NetBIOS выполняет транспортные функции, а SMB - сеансовые и представительные функции.
Однако, даже в локальных сетях автоматизации производства (протокол MAP), имеющих древовидную структуру, не использовалась иерархическая адресация, и, в настоящее время, во всех локальных сетях применяются плоские адреса, старшие три байта которых централизованно распределяются комитетом IEEE между производителями оборудования и определяются как организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier - OUI), а пять младших байтов служат для обозначения порядкового заводского номера (всего 16 млн адресов).
Локальные коммутаторы, предназначенные для повышения эффективности работы сети путем ее сегментации, представляют собой более производительную модификацию ранее существовавших мостов (bridge) и являются "прозрачными" устройствами для поступающих кадров, адрес назначения которых (для определения выходного порта) поочередно сравнивается с адресами, находящимися в таблицах, которые оперативно создаются в каждом порту на основе адресов отправителя, извлекаемых из каждого кадра, поступающего на данный порт.
Именно прозрачность коммутаторов, а также способ определения порта назначения с помощью таблиц не позволяет их использовать в сетях с петлевыми структурами (то есть в магистральных сетях), так как имеется возможность зацикливания и размножения кадров ("широковещательный шторм").
Локальные коммутаторы, как и ранее мосты, создавались для работы в одноранговых сетях, и даже выделение одного (или двух) более высокоскоростных каналов для подключения сервера не обеспечивает эффективность работы сети, особенно в тех случаях, когда суммарная скорость передачи от клиентских ПК превышает скорость передачи в канале сервера, что вызывает включение механизма управления потоком (802.3х), ограничивающего общую скорость передачи в сети.
В настоящее время имеется возможность оптимизировать работу локальной сети для работы по схеме "клиент-сервер". Для этого необходимо использовать специальное устройство - коммутирующий мультиплексор (SWItching multiPLEX - SWIPLEX), который мультиплексирует кадры восходящего трафика от клиентов, поступающие по 10-ти каналам со скоростью С Мбит/с, в один канал, передающий кадры к серверу со скоростью 10С Мбит/с, а кадры нисходящего трафика от сервера к клиентам, поступающие на один порт со скоростью 10С Мбит/с, коммутируются на 10 портов, передающих кадры со скоростью С Мбит/с [1].
Построение локальной сети, работающей по схеме "клиент-сервер", в виде каскадного дерева позволяет использовать иерархическую адресацию на МАС-уровне как в сетевых картах клиентских ПК, так и в коммутирующих мультиплексорах, что позволяет применить в них способ бестабличной коммутации, при которой выбор порта назначения определяется по коду той тетрады в адресе назначения принятого кадра, номер которой совпадает с номером каскада, на котором находится данный коммутирующий мультиплексор.
Каскадирование коммутирующих мультиплексоров позволяет строить полнодоступные локальные сети различных размеров: от менее чем 10 пользователей (сети SOHO) до 100 пользователей (скорость передачи 10 Мбит/с), и даже до 1000 пользователей (скорость передачи 1 Мбит/с), при использовании на сервере сетевой карты GigabitEthernet.
В современных локальных сетях в качестве серверов используются отдельные устройства либо обычные ПК (сети SOHO), либо специализированные устройства - серверы. В том и другом случае возможно оптимизировать соединение коммутирующего мультиплексора с сервером. При этом вместо двух устройств (сетевой карты и коммутирующего мультиплексора) предлагается одно - коммутирующая мультиплексная карта (SwipleX Card - SXC), что не только снижает стоимость устройства подключения (прежде всего за счет исключения двух контроллеров GigabitEthernet), но и упрощает его функционирование и управление.
Аппаратное решение сервера-коммутатора должно быть дополнено соответствующим программным обеспечением (ПО), реализующим функции коммутации на сеансовом уровне.
Известно, что протоколы канального уровня локальных сетей являются самодостаточными для организации надежной транспортировки данных, и поэтому поверх них могут непосредственно работать протоколы прикладного уровня и даже приложения без привлечения средств сетевого и транспортного уровней.
Для этих целей используется специальный протокол управления логическим каналом LLC (802.2), в котором предусмотрены три типа процедур:
- LLC1 - процедура без установления соединения и без подтверждения,
- LLC2 - процедура с установлением соединения и с подтверждением,
- LLC3 - процедура без установления соединения, но с подтверждением (часто используется для управления техническими устройствами).
Надежность транспортировки кадров обеспечивает процедура LLC2, в которой определены протокольные блоки данных PDU (Protocol Data Unit) трех типов:
- информационные (Information) кадры - предназначены для передачи данных в режиме с установлением соединения, в процессе которого производится их нумерация в режиме "скользящего окна";
- управляющие (Supervisory) кадры - предназначены для передачи команд и ответов, и в том числе запросов на повторную передачу искаженных кадров;
- ненумерованные (Unnumbered) кадры - предназначены для установления логического соединения, а также для передачи ненумерованных кадров в процедурах без установления логического соединения.
Кадр LLC обрамляется однобайтовыми полями "Флаг" (01111110) и включает следующие поля:
- однобайтовое поле, содержащее двухразрядный код точки входа службы назначения (Destination Service Access Point - DSAP);
- однобайтовое поле, содержащее двухразрядный код точки входа службы источника (Source Service Access Point - SSAP);
- одно/двухбайтовое поле управления (Control);
- поле данных (Data).
Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети информации протоколов вышележащих уровней как сетевых (IP, IPX и др.), так и прикладных (например, SNMP). Поле управления служит для организации работы во всех трех режимах. Для идентификации вышележащих протоколов служат точки входа служб SAP (Service Access Point), конкретный код которых определяет тип вышележащего протокола (например, для протокола IP - это код 0х6, для протокола NetBIOS - 0xF0, где префикс 0х обозначает шестнадцатиричное представление), поэтому нет принципиальных препятствий, например, для использования протокола SIP (Session Initiation Protocol) непосредственно поверх протокола LLC.
В локальной сети протокол Ethernet, во-первых, обеспечивает доставку кадра в сети по адресу назначения и, во-вторых, производит проверку правильности передачи кадра по контрольной сумме (CRC), при этом искаженные кадры отбрасываются.
Протокол LLC обеспечивает контроль за наличием и правильным порядком всех поступивших кадров (отбрасывая дублированные) и, кроме того, благодаря наличию полей DSAP и SSAP в заголовке обеспечивает связь прикладных процессов в узлах сети, то есть, фактически, выполняет роль транспортного протокола ТСР (рис. 2).
Таким образом, в локальных сетях обеспечивается полное функционирование всех прикладных программ без использования протоколов TCP/IP.
Коммутируемая локальная сеть предоставляет каждому пользователю выделенный дуплексный (full duplex) канал Ethernet с возможностью выбора скорости передачи: 0,1/1/10 Мбит/с. При этом возможна передача как видео, так и речи непосредственно поверх Ethernet (VIdeo,Voice over Ethernet - VIVoEthernet), при гарантировании их качества (Quality of Service - QoS), так как кроме необходимой скорости передачи и два других основных параметра качества обслуживания - допустимая задержка и допустимый уровень потерь и искажений кадров - в предлагаемых коммутируемых локальных сетях гарантированы конструктивно.
Модернизация магистральных сетей
Сети больших размеров, такие как городские (MAN) и глобальные (WAN), с целью повышения эффективности и управляемо-сти, строятся в виде двухуровневой иерархии: локальные сети - магистральная сеть, причем каждая из них также может строиться в виде самостоятельной иерархии, как было показано выше для локальных сетей.
Главной задачей магистральной сети является поддержание того уровня качества сервиса (QoS), который был достигнут в локальных сетях. К магистральным сетям предъявляются следующие требования - высокая производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость. Как известно, радиально-узловая ячеистая структура существующих магистральных сетей, доставшаяся в наследство от телефонных сетей, далеко не в полной мере отвечает этим требованиям и, к тому же, является плоской и плохо управляемой.
Радикальное улучшение функционирования магистральных сетей, повышение их надежности и качества передачи данных возможно только с использованием новой парадигмы (концептуальной схемы) компьютерных коммуникаций, которая включает [2]:
- многоярусную иерархическую радиально-кольцевую топологию;
- иерархический МАС-адрес Ethernet;
- коммутацию 2-го уровня на базе МАС-адресов кадров Ethernet.
Предлагаемая многоярусная иерархическая радиально-кольцевая топология (рис. 3), являясь комбинацией трех простейших топологий, упомянутых выше, удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к магистральным сетям, и, хотя в каждом узле имеет несколько направлений для выбора альтернативного пути (в случае выхода из строя основного), в штатном режиме в узлах аппаратно обеспечивается лишь один единственный путь между двумя любыми узлами, что является признаком немаршрутизируемой топологии.
48-разрядный МАС-адрес представляется в виде иерархической структуры [3], причем каждая тетрада (4 разряда) адреса служит для адресации 12 узлов в кольце на одном ярусе, и, таким образом, всего в магистральной сети можно адресовать более 27 трлн узлов (по 1 узлу на каждые 25 кв. м площади при равномерном размещении по всей поверхности Земли). При этом каждый узел представляет собой абонентский сервер локальной сети, который обеспечивает взаимодействие до 1000 абонентов, что, в принципе, снимает проблему нехватки адресов в сети (подобной нехватки адресов IРv4, которая стоит перед пользователями Интернет).
Магистральный коммутатор Ethernet [4] на каждом уровне иерархии имеет 12 портов для соединения с коммутаторами в кольце нижележащего яруса, порт Z - для соединения с коммутатором, находящимся на кольце вышележащего яруса, и порты L и R - для соединения с коммутаторами, находящимися слева и справа по кольцу, соответственно.
В отличие от существующих локальных коммутаторов, предлагаемые магистральные коммутаторы не строят таблицы адресов по каждому порту, а имеют собственный иерархический МАС-адрес (Locally Administreted Address - LAA), число нулевых тетрад у которого определяется номером яруса (cнизу по сети), на котором располагается данный коммутатор. При работе коммутатор производит сравнение префикса (то есть старшую ненулевую часть) адреса коммутатора с соответствующим префиксом адреса назначения кадра, поступающего на каждый порт коммутатора: при их равенстве кадр пересылается на тот порт, код которого определен в тетраде, находящейся сразу за префиксом в адресе назначения кадра; при неравенстве - кадр пересылается на порт Z. Кроме того, при равенстве префикса адреса назначения поступившего кадра префиксу адреса коммутатора L, расположенного слева по кольцу, либо префиксу адреса коммутатора R, расположенного по кольцу справа, - этот кадр поступает на соответствующий порт коммутатора.
Простой алгоритм коммутации позволяет выполнить коммутатор целиком аппаратно (без использования процессорной обработки) на базе интегральных схем с перепрограммируемой логикой (FPGA), разнообразный спектр которых широко предложен на мировом рынке электронных компонентов (макетный образец магистрального коммутатора, выполненного с использованием 4-х микросхем Virtex (XCV50) фирмы Xilinx, показан на рис. 4).
Данный подход позволит существенно (в 1,5-2 раза) снизить стоимость магистральных коммутаторов (коммутатор OmniSwitch 8000 фирмы Alcatel, имеющий коммутирующую платформу (switch fabric), производительностью в 512 Гбит/с, и позволяющий обеспечить неблокирующую работу 384 портов GigabitEthernet либо 16 портов 10GigabitEthernet, - стоит $ 41 000).
Предлагаемые магистральные коммутаторы работают в тандеме с сетевым сервером, на который возлагаются следующие функции [5]:
- резервирование затребованной протоколом RSVP пропускной способности по всем портам соединенного с ним коммутатора для передачи приоритетного трафика;
- буферизация и обработка неприоритетного трафика и передача его через порты коммутатора в свободное от приоритетного трафика время;
- обработка широковещательного трафика.
С учетом принципиальной разницы характера трафика при передаче данных (передача кадров большой длины, спорадический характер трафика) и мультимедийной информации (передача коротких кадров, потоковый характер трафика, чувствительность к задержкам), а также требований надежности, - магистральную сеть необходимо создавать полностью дублированной, при этом передачу данных и передачу мультимедийной информации необходимо производить по разным сетям.
|
Итак, в предлагаемой глобальной мультимедийной сети за счет исключения протоколов ТСР/IP (особенно отягощенных версией IPv6) упрощается программное обеспечение клиентских ПК, существенно уменьшаются стоимость коммутации (маршрутизатор в 10-20 раз дороже магистрального коммутатора) и издержки при передаче мультимедийного трафика через магистральную сеть (рис. 5), которая производится короткими кадрами, содержащими информацию с большим коэффициентом сжатия, при этом суммарный заголовок в варианте А составляет 58 байт, а в варианте В - 18 байт.
Распространение технологии локальных сетей (коммутаторов 2-го уровня и технологий Ethernet1/10 Гбит/с) в область глобальных сетей позволяет строить масштабируемые сети, в которых мультимедийные протоколы будут эффективно работать непосредственно поверх стека Ethernet/LLC/SIР, как в стационарных, так и в беспроводных и мобильных сетях [6].
| Модель OSI | IBM/Microsoft | Интернет | MultiMediaEthernet |
| Прикладной | Telnet | Telnet | |
| FTP | FTP | ||
| SMTP | SMTP | ||
| SMВ | SNMP | SNMP | |
| Представительный | WWW | WWW | |
| RSVP | RSVP | ||
| SDP | |||
| RTP | |||
| Сеансовый | SIP | ||
| Транспортный | NetBIOS | TCP | |
| Сетевой | IP | ||
| Канальный | LLC | LLC | |
| Ethernet | Ethernet | Ethernet | |
| Физический | Коаксиал, витая пара, оптоволокно | ||
Литература
1 Закурдаев С.В. Декадный мультиплексор локальной сети: Патент РФ № 2159511, 1999 г.
2 Закурдаев С.В. Реализация новой парадигмы компьютерных коммуникаций - ключ к эффективной информатизации общества. - 3-й Российский Форум "Технологии Электронных Коммуникаций 90-х годов", 28 июня - 29 июня 1993 г.: Доклады конференции. С. 56-61.
3 Закурдаев С.В. Путь России в информационное общество// ТелеМультиМедиа, № 3, 2001 г. С. 22-29.
4 Закурдаев С.В. Многоярусная иерархическая радиально-кольцевая сеть связи: Патент РФ № 2188520, 2000 г.
5 Закурдаев С.В. Глобальные сети тонких клиентов//Сети, № 10, 2000 г. С. 84-89.
6 Закурдаев С.В. Мультимедийные компьютерные сети - новый вид связи XXI века//ТелеМультиМедиа, № 2, 2002 г. С. 33-37.
Телемультимедиа № 1 (17) февраль 2003