Эта книга посвящена современным аспектам развития высокоскоростных объединенных TCP/IP и ATM сетей. В ней рассматривается широкий круг вопросов: от обработки одиночного пакета или ячейки в очереди на маршрутизаторе или коммутаторе до универсальных методов резервирования сетевых ресурсов для определенного типа трафика; от определения характеристик потока данных до способов их сжатия, позволяющих снизить нагрузку на сеть. Книга будет интересна всем, кто хотел бы получить представление о современном уровне развития, архитектуре и разработке высокоскоростных компьютерных сетей.
Краткое содержание
Предисловие
Часть I. История вопроса
Глава 1. Введение
Глава 2. Архитектура протоколов
Глава 3. Протоколы TCP и IP
Часть II. Высокоскоростные сети
Глава 4. Ретрансляция кадров
Глава 5. Сети ATM
Глава 6. Высокоско ростные локальные сети
Часть III. Моделирование и оценка производительности
Глава 7. Обзор вероятностных и стохастических процессов
Глава 8. Анализ очередей
Глава 9. Самоподоб ный трафик
Часть IV. Перегрузка и управление трафиком
Глава 10. Борьба с перегрузкой в обычных и объединенных сетях
Глава 11. Управление потоком и контроль ошибок на уровне передачи данных
Глава 12. Управление трафиком в потоколе TCP
Глава 13. Управление трафиком и борьба с перегрузкой в сетях ATM
Часть V. Маршрутизация в объединенных сетях
Глава 14. Теория графов и поиск путей с минимальной стоимостью
Глава 15. Протоколы внутренней маршрутизации
Глава 16. Протоколы внешней маршрутизации и групповая рассылка
Часть VI. Качество обслуживания в IP-сетях
Глава 17. Интегрированные и дифференцированные службы
Глава 18. Протоколы поддержания качества обслуживания
Часть VII. Сжатие данных
Глава 19. Теоретические основы сжатия данных
Глава 20. Сжатие без потерь
Глава 21. Сжатие с потерями
Приложение A. Стандарты и организации по стандартизации
Приложение B. Сокеты
Словарь специальных терминов
Сокращения
Список литературы
Алфавитный указатель
Предисловие
История вопроса
Назначение книги
Предполагаемая аудитория
План книги
Веб-сайт для преподавателей и студентов
Программирование сокетов
Что нового во втором издании
Благодарности
От издателя перевода
Часть I. История вопроса
Глава 1. Введение
1.1. Краткая история сетей
Рост Интернета и Всемирной паутины
Появление ATM
1.2. Потребность в скорости и качестве обслуживания
Появление высокоскоростных локальных сетей
Корпоративные потребности в глобальных сетях
Цифровая электроника
Качество обслуживания в Интернете
1.3. Усовершенствованные сети TCP/IP и ATM
Объединенные IP-сети
Сети ATM
1.4. Обзор книги
Фундаментальные понятия протоколов и сетей
Высокоскоростные сети
Моделирование и оценка производительности
Перегрузка и управление трафиком
Маршрутизация в объединенных сетях
Качество обслуживания в IP-сетях
Сжатие
1.5. Ресурсы Интернета
Веб-сайты для этой книги
Другие веб-сайты
Группы новостей USENET
Глава 2. Архитектура протоколов
2.1. Необходимость в архитектуре протоколов
2.2. Архитектура протоколов TCP/IP
Уровни набора протоколов TCP/IP
Протоколы TCP и UDP
Протоколы IP и IPv6
Работа протоколов TCP и IP
Приложения TCP/IP
2.3. Модель OSI
2.4. Объединение сетей
Маршрутизаторы
Пример объединения сетей
2.5. Рекомендуемые литература и веб-сайты
2.6. Задания
Глава 3. Протоколы TCP и IP 70
3.1. Протокол TCP
3.2. Протокол UDP
3.3. Протокол IP
Фрагментация и восстановление
Адреса IPv4
Поле типа службы
Поле параметров IPv4
3.4. Протокол IPv6
Форматы IPv6
Заголовок IPv6
Заголовок параметров ретрансляционных участков
Заголовок фрагмента
Заголовок маршрутизации
Заголовок параметров получателя
3.5. Рекомендуемые литература и веб-сайты
3.6. Задания
Часть II. Высокоскоростные сети
Глава 4. Ретрансляция кадров
4.1. Сети с коммутацией пакетов
Базовые операции
Техника коммутации
Маршрутизация
Стандарт X.25
4.2. Сети с ретрансляцией кадров
История вопроса
Архитектура ретрансляции кадров
Передача данных пользователя
Управление соединением ретрансляции кадров
4.3. Рекомендуемые литература и веб-сайты
4.4. Задания
Глава 5. Сети ATM
5.1. Архитектура протоколов ATM
5.2. Логические соединения ATM
Применение соединения виртуального канала
Характеристики виртуального пути и виртуального канала
Управляющие сигналы
5.3. Ячейки ATM
Формат заголовка
Общее управление потоком
Контрольная сумма заголовка
5.4. Категории служб ATM
Службы реального времени
Службы не реального времени
5.5. Уровень адаптации ATM
Службы AAL
Протоколы AAL
5.6. Рекомендуемые литература и веб-сайты
5.7. Задания
Глава 6. Высокоскоростные локальные сети
6.1. Появление высокоскоростных локальных сетей
6.2. Ethernet
Классическая сеть Ethernet
Варианты стандарта IEEE 802.3 со скоростью передачи данных 10 Мбит/с
Хабы и коммутаторы
Коммутаторы 3-го уровня
Fast Ethernet
Gigabit Ethernet
10-гигабитная сеть Ethernet
6.3. Fibre Channel
Элементы архитектуры Fibre Channel
Архитектура протоколов Fibre Channel
Физические носители и топологии Fibre Channel
Перспективы развития Fibre Channel
6.4. Беспроводные локальные сети
Применение беспроводных локальных сетей
Требования к беспроводным локальным сетям
Архитектура IEEE 802.11
Службы IEEE 802.11
Уровни протокола IEEE 802.11
Физический уровень IEEE 802.11
6.5. Рекомендуемые литература и веб-сайты
6.6. Задания
Часть III. Моделирование и оценка производительности
Глава 7. Обзор вероятностных и стохастических процессов
7.1. Вероятность
Определение вероятности
Условная вероятность и независимость
Теорема Байеса
7.2. Случайные переменные
Функции распределения и плотности
Важные распределения
Множественные случайные переменные
7.3. Стохастические процессы
Статистики первого и второго порядка
Стационарные стохастические процессы
Спектральная плотность
Независимые приращения
Эргодичность
7.4. Рекомендуемые литература и веб-сайты
7.5. Задания
Глава 8. Анализ очередей
8.1. Простой пример поведения очередей
8.2. Цели анализа очередей
8.3. Модели очередей
Очередь к одному серверу
Очередь к нескольким серверам
Основные соотношения теории очередей
Допущения
8.4. Очередь к одному серверу
8.5. Очередь к нескольким серверам
8.6. Примеры
Серверы баз данных
Вычисление процентилей
Примеры очереди к серверам
8.7. Очереди с приоритетами
8.8. Сети очередей
Разделение и объединение потоков данных
Цепочки очередей
Теорема Джексона
Приложение для сетей с коммутацией пакетов
8.9. Другие модели очередей
8.10. Оценка параметров модели
Выбор дискретных данных
Ошибки выборки
8.11. Рекомендуемые литература и веб-сайты
8.12. Задания
Глава 9. Самоподобный трафик
9.1. Самоподобие
9.2. Самоподобный трафик данных
Определение непрерывного во времени процесса
Определение дискретного во времени процесса
Долгосрочная зависимость
Медленно затухающие распределения
9.3. Примеры самоподобного трафика
Трафик сетей Ethernet
Трафик Всемирной паутины
Трафик SS7
Трафики TCP, FTP и TELNET
VBR-видео
Детерминированная передача данных
9.4. Влияние самоподобия на производительность
Анализ сетей Ethernet/ISDN
Ethernet-трафик
Модель запоминающего устройства с самоподобными входными данными
Применимость самоподобных моделей трафика
9.5. Моделирование и оценка самоподобного трафика данных
График зависимости дисперсии от времени
График R/S
Оценочная формула Уиттла
9.6. Параметр Херста
9.7. Рекомендуемые литература и веб-сайты
9.8. Задания
Часть IV. Перегрузка и управление трафиком
Глава 10. Борьба с перегрузкой в обычных и объединенных сетях
10.1. Следствия перегрузки
Идеальная производительность
Практическая производительность
10.2. Борьба с перегрузкой
Противодавление
Сдерживающий пакет
Неявная сигнализация о перегрузке
Явная сигнализация о перегрузке
10.3. Управление трафиком
Справедливость
Качество обслуживания
Резервирование
10.4. Борьба с перегрузкой в сетях с коммутацией пакетов
10.5. Борьба с перегрузкой в сетях ретрансляции кадров
Управление скоростью трафика
Предотвращение перегрузки при помощи явной сигнализации
10.6. Рекомендуемые литература и веб-сайты
10.7. Задания
Глава 11. Управление потоком и контроль ошибок
на уровне передачи данных
11.1. Необходимость управления потоком и контроля ошибок
Управление потоком
Контроль ошибок
11.2. Механизмы управления каналом
Остановка с ожиданием
Технология скользящего окна
11.3. Производительность схемы ARQ
Схема ARQ с остановкой и ожиданием
Параметр a
Еще раз про схему с остановкой и ожиданием
Схема ARQ для скользящего окна
11.4. Протокол HDLC
Структура кадра протокола HDLC
Работа протокола HDLC
11.5. Рекомендуемая литература
11.6. Задания
Глава 12. Управление трафиком в протоколе TCP
12.1. Управление потоком в протоколе TCP
Влияние размера окна на производительность
Стратегия повторных передач
Адаптивный таймер повторной передачи
Параметры политики реализации протокола TCP
12.2. Борьба с перегрузкой в TCP
Управление потоком и контроль ошибок в TCP
Управление повторными передачами при помощи таймера
Управление окном
12.3. Производительность протокола TCP в сетях ATM
Архитектура протоколов
TCP поверх UBR
TCP поверх ABR
12.4. Рекомендуемые литература и веб-сайты
12.5. Задания
Глава 13. Управление трафиком и борьба
с перегрузкой в сетях ATM
13.1. Требования к управлению трафиком и борьбе с перегрузкой в сетях ATM
Значение задержки и скорости передачи данных
Непостоянство времени доставки ячеек
13.2. Атрибуты трафика сетей ATM
Параметры трафика
Параметры качества обслуживания
Атрибуты борьбы с перегрузкой
Другие атрибуты
13.3. Структура управления трафиком
13.4. Управление трафиком
Управление ресурсами при помощи виртуальных путей
Управление допуском к соединению
Контроль параметров использования
Выборочное отбрасывание ячеек
Формирование трафика
Явное прямое уведомление о перегрузке
13.5. Управление трафиком в службе ABR
Контроль скорости в службе ABR
Формат ячейки управления ресурсами
Распределение ресурсов в службе ABR
13.6. Управление трафиком в службе GFR
Механизм обеспечения гарантий скорости
Согласованное определение для службы GFR
Механизм проверки приемлемости качества обслуживания
13.7. Рекомендуемая литература
13.8. Задания
Часть V. Маршрутизация в объединенных сетях
Глава 14. Теория графов и поиск путей
с минимальной стоимостью
14.1. Элементарные понятия теории графов
Ориентированный граф и взвешенный граф
Деревья
14.2. Поиск кратчайшего пути
Алгоритм Дейкстры
Алгоритм Беллмана—Форда
Сравнение алгоритмов
14.3. Рекомендуемая литература
14.4. Задания
Глава 15. Протоколы внутренней маршрутизации
15.1. Принципы маршрутизации в объединенных сетях
Функция маршрутизации
Автономные системы
15.2. Протокол RIP
Дистанционно-векторная маршрутизация
Детали алгоритма RIP
Формат RIP-пакета
Ограничения протокола RIP
15.3. Протокол OSPF
Маршрутизация с учетом состояния линий
Протокол OSPF
Стоимость линий
Области
Формат OSPF-пакета
15.4. Рекомендуемые литература и веб-сайты
15.5. Задания
Глава 16. Протоколы внешней маршрутизации
и групповая рассылка
16.1. Протоколы BGP и IDRP
Маршрутно-векторная маршрутизация
Протокол BGP
Протокол IDRP
16.2. Групповая рассылка
Необходимые условия для групповой рассылки
Протокол IGMP
Расширение протокола OSPF для групповой рассылки
Протокол PIM
16.3. Рекомендуемые литература и веб-сайты
16.4. Задания
Часть VI. Качество обслуживания в IP-сетях
Глава 17. Интегрированные и дифференцированные службы
17.1. Архитектура интегрированных служб
Трафик в объединенных сетях
Назначение архитектуры ISA
Компоненты архитектуры ISA
Службы архитектуры ISA
17.2. Дисциплина очередей
Справедливая организация очередей
Разделение процессора
Справедливая организация очередей с побитовым циклом
Обобщенная схема разделения процессора
Взвешенная справедливая организация очередей
17.3. Случайное раннее обнаружение
Мотивация
Цели разработки метода случайного раннего обнаружения
Алгоритм RED
17.4. Дифференци рованные службы
Службы
Поле DS
Конфигурирование и работа дифференцированных служб
Поведение на ретрансляционном участке
17.5. Трафик реального времени
Характеристики трафика реального времени
Требования к взаимодействию в реальном времени
Жесткие и гибкие приложения реального времени
17.6. Рекомендуемые литература и веб-сайты
17.7. Задания
Глава 18. Протоколы поддержания качества обслуживания
18.1. Протокол RSVP
Цели разработки и характеристики протокола RSVP
Потоки данных
Работа протокола RSVP
Механизмы протокола RSVP
18.2. Многопротокольная коммутация по меткам
История вопроса
Функционирование архитектуры MPLS
Организация стека меток
Формат и размещение меток
FEC-классы, LSP-пути и метки
18.3. Протокол RTP
Архитектура протокола RTP
Протокол передачи данных RTP
Управляющий протокол RTP
18.4. Рекомендуемые литература и веб-сайты
18.5. Задания
Часть VII. Сжатие данных
Глава 19. Теоретические основы сжатия данных
19.1. Информация и энтропия
Информация
Энтропия
Свойства функции энтропии
19.2. Кодирование
Код Хаффмана
Энтропия и эффективность кодирования
Характеристики кода Хаффмана
19.3. Рекомендуемая литература
19.4. Задания
Глава 20. Сжатие без потерь
20.1. Методы группового кодирования
Подавление нулей
Групповое кодирование
20.2. Факсимильное сжатие
Модифицированный код Хаффмана
Модифицированный код READ
Дважды модифицированный код READ
20.3. Арифметическое кодирование
Основная концепция
Чистое арифметиче ское кодирование
Инкрементное арифметическое кодирование
20.4. Алгоритмы совпадения строк
Алгоритм LZ77
Алгоритмы LZ78 и LZW
20.5. Рекомендуемые литература и веб-сайты
20.6. Задания
Глава 21. Сжатие с потерями
21.1. Дискретное косинусное преобразование
Одномерное дискретное косинусное преобразование
Двумерное дискретное косинусное преобразование
21.2. Волновое сжатие
Элементарная волна
Одномерное сжатие с помощью элементарных волн Хаара
Двумерное сжатие с помощью элементарных волн Хаара
21.3. Стандарт JPEG
Последовательный режим DCT
Прогрессивный режим DCT
Режим без потерь
Иерархический режим
JPEG 2000
21.4. Стандарт MPEG
Знакомство с алгоритмом видеосжатия
Компенсация движения
Упорядочивание кадров
Стандарты MPEG
21.5. Рекомендуемые литература и веб-сайты
21.6. Задания
Приложение A. Стандарты и организации по стандартизации
A.1. Важность стандартов
A.2. Стандарты и регулирование
A.3. Стандарты Интернета и Общество Интернета
Организации Интернета и публикация RFC
Процесс стандартизации
Категории стандартов Интернета
Другие типы RFC
A.4. Союз ITU
Сектор ITU-T
Расписание
A.5. Стандарты IEEE
Приложение Б. Сокеты
Б.1. Версии сокетов
Б.2. Сокеты, дескрипторы сокетов, порты и соединения
Б.3. Коммуникационная модель клиент—сервер
Запуск программы с сокетами на изолированной машине под Windows
Запуск программы с сокетами на одной сетевой машине под Windows
Б.4. Элементы сокетов
Создание сокета
Адрес сокета
Привязка к локальному порту
Представление данных и порядок следования байтов
Установление соединения с сокетом
Функция gethostbyname()
Прослушивание входящих запросов на соединение от клиентов
Согласие на установку соединения с клиентом
Передача и прием сообщений через сокет
Закрытие сокета
Коды ошибок
Пример клиентской программы TCP/IP
Пример серверной программы TCP/IP
Б.5. Потоковые и дейтаграммные сокеты
Пример клиентской программы UDP
Пример серверной программы UDP
Б.6. Управление программой во время выполнения
Неблокирующие обращения к сокетам
Асинхронный ввод-вывод
Б.7. Удаленное выполнение консольного Windows-приложения
Локальная программа
Удаленная программа
Словарь специальных терминов
Сокращения
Список литературы
Алфавитный указатель
ОТРЫВОК
Часть I
История вопроса
Назначение части I — дать базовые сведения и контекст для остальных частей книги. Здесь представлены фундаментальные концепции протоколов обмена данными между компьютерами.
и Глава 1. Введение . Глава 1 представляет собой обзор всей книги. По существу, в книге затрагиваются два вопроса: производительность и качество обслуживания в компьютерных сетях. Производительность и качество обслуживания — это ключевые понятия для высокоскоростных сетей, включая сети ретрансляции кадров и сети ATM, а также объединенные сети, такие как Интернет и интранет.
и Глава 2. Архитектура протоколов . В основе обмена данными в компьютер ных сетях и в основе работы распределенных приложений лежит программное обеспечение связи, которое не зависит от приложений и избавляет их от большей части задач, связанных с обеспечением надежного обмена данными. Это программное обеспечение связи организовано в архитектуру протоколов, основу которой составляет набор протоколов TCP/IP. В главе 2 вводится понятие архитектуры протоколов и предоставляется обзор набора протоколов TCP/IP. Кратко описывается также другая архитектура — этал
онная модель OSI. Наконец, обсуждаются концепция объединения сетей и вопросы использования для этой цели набора протоколов TCP/IP.
и Глава 3. Протоколы TCP и IP. В главе 3 протоколы TCP и IP рассматрива ются более подробно, включая форматы их заголовков и механизмы работы. Для протокола IP описываются текущие версии IPv4 и IPv6.
Глава 1.Введение
Глава 1
Введение
Если читатель хочет понять эту историю и точку зрения, с которой она изложена, он должен следовать за мыслью автора во всех принципиальных аспектах причинно-следственных отношений. Ему следует познакомиться не только с положением дел в армии и флоте на момент начала войны, но также и с событиями, послужившими ему причиной. Он должен познакомиться с адмиралами и генералами; он должен изучить организацию флотов и армий, а также основные принципы их стратегий на море и на суше; он не должен уклоняться даже от изучения устройства кораблей и пушек; он должен п
онимать все нюансы объединения современных государств в союзы и медленно растущего антагонизма между ними; он должен сопоставить этот антагонизм с более скромной, но, тем не менее, неизбежной борьбой партий и с взаимодействием политических сил и личностей.
Уинстон Черчилль, Мировой кризис
Предмет данной книги охватывает очень широкий круг вопросов: от таких деталей, как обработка одиночного пакета или ячейки в очереди на маршрутизаторе или коммутаторе, до универсальных методов резервирования сетевых ресурсов для заданного типа трафика; от определения характеристик потока данных до способов сжатия данных, позволяющих снизить нагрузку на сеть. Если вы взглянете на оглавление книги, то увидите, что эти и подобные им темы будут рассматриваться на протяжении всей книги.
Центральная тема книги связана с необходимостью поддерживать трафик большого объема с различными требованиями качества обслуживания в сетях, работающих на очень высоких скоростях передачи данных. В качестве платформ, на которых будут рассматриваться соответствующие аспекты дизайна, мы будем использовать объединенные IP-сети и сети ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи) 1.
В сетях обоих типов (как в объединенных сетях, так и в сетях ATM) в настоящее время наблюдаются кардинальные перемены. В объединенных сетях трафик
1 Мы будем использовать термин объединенная IP-сеть (IP-based internet) для обозначения набора любых сетей, взаимодействующих через маршрутизаторы по протоколу IP (Internet Protocol — Интернет-протокол) из набора протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей/Интернет-протокол). В сетях ATM применяются протоколы ATM и близкие им протоколы. 1.1. Краткая история сетей
вырос во много раз и теперь включает в себя мультимедиа и данные реального времени. В случае ATM присущая этой сети высокая скорость передачи данных послужила причиной использования ее не только для передачи звука и изображений, но также и в последнее время во все большей степени неравномерного трафика на базе стека TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей/Интернет-протокол). С технической точки зрения такие быстрые и беспрецедентные изменения представляют массу интересных проблем в области протоколов, борьбы с перегрузкой, управ
ления трафиком и определения его параметров.
С другой стороны, для владельца корпоративных информационных систем или для конечного потребителя интересы фокусируются на удовлетворении потребностей приложений. Хотя темой этой книги не является управление и она не адресована конечным пользователям, мы все же осветим вопросы управления высокоскоростными сетями и трафиком, кратко обсудив требования, формируемые пользователями. Это и является целью данной главы.
Глава начинается с обзора тенденций в эволюции объединенных IP-сетей и сетей ATM. Далее рассматриваются некоторые из движущих факторов, формирующих спрос на высокоскоростные сети с гарантиями качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Затем мы обсудим типы служб, предоставляемых объединенными IP-сетями и сетями ATM. Завершается эта вводная глава кратким описанием остальных глав книги и перечислением ресурсов Интернета, которые могут оказаться полезными читателям и преподавателям.
1.1. Краткая история сетей
За последние годы появилось множество новых протоколов и технологий как для объединенных IP-сетей, так и для сетей ATM. Они будут кратко рассмотрены в разделе 1.2. В данном разделе мы рассмотрим некоторые из факторов, служащих движущей силой этих новых разработок.
Рост Интернета и Всемирной паутины
Доминирующим фактором развития новых протоколов и механизмов передачи данных является рост Интернета. Этот рост, в свою очередь, в основном обусловлен ростом Всемирной паутины (World Wide Web, WWW). Сомнительно, чтобы кто-либо, где-либо, пользующийся компьютерным оборудованием, не слышал бы об этих важных изменениях. Интернет, Всемирная паутина и связанные с ними приложения изменили способ использования вычислительных ресурсов и способ использования персональных компьютеров их владельцами.
Интернет
Сегодняшний Интернет обязан своему появлению объединенной сети ARPANET, которая начиналась как скромный эксперимент в новой тогда технологии коммутации пакетов (табл. 1.1). Сеть ARPANET была развернута в 1969 г. и состояла поначалу всего из четырех узлов с коммутацией пакетов, используемых для взаи
Глава 1.Введение
модействия горстки хостов и терминалов. Первые линии связи, соединявшие узлы, работали на скорости всего 50 Кбит/с. Сеть ARPANET финансировалась управлени ем перспективного планирования научно-исследовательских работ ARPA (Advanced Research Projects Agency) министерства обороны США и предназначалась для изучения технологии и протоколов коммутации пакетов, которые могли бы использоваться для кооперативных распределенных вычислений.
Таблица 1.1. Хронология развития Интернета
Год Событие
1966 Экспериме нт с коммутацией пакетов управления ARPA
1969 Первые работоспособные узлы сети ARPANET
1972 Изобретение распределенной электронной почты
1973 Первые компьютеры, подключенные к сети ARPANET за пределами США
1975 Сеть ARPANET передана в ведение управления связи министерства обороны США
1980 Начинаются эксперименты с TCP/IP
1981 Каждые 20 дней к сети добавляется новый хост
1983 Завершен переход на TCP/IP
1986 Создана магистраль NSFnet
1990 Сеть ARPANET прекратила существование
1991 Появление Gopher
1991 Изобретение Всемирной паутины
1991 Выпущена система PGP
1992 Появление Mosaic
1995 Приватизация магистрали Интернета
1996 Построена магистраль OC-3 (155 Мбит/с)
1998 Число зарегистрированных доменных имен превысило 2 млн
2000 Количество индексируем ых веб-страниц превысило 1 млрд
Некоторые ранние приложения, разработанные для сети ARPANET, обладали новой функциональностью. Первыми двумя важными приложениями были TELNET и FTP. Приложение TELNET предоставило язык для общения терминалов с удаленными компьютерами. Когда появилась сеть ARPANET, для каждой компьютерной системы требовались собственные терминалы. Приложение TELNET стало общим знаменателем для терминалов. Достаточно было написать для каждого компьютера программное обеспечение, поддерживающее «терминал TELNET», чтобы один терминал мог взаимодействовать с компьютерами всех типов. Прото
кол FTP (File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) предложил сходную открытую функциональность, обеспечивая прозрачный перенос файлов с одного компьютера на другой по сети. Это не так тривиально, как может показаться, так как у разнотипных компьютеров могут различаться размеры слов, биты в словах могут храниться в неодинаковом порядке или использоваться разные форматы слов.
Хотя TELNET и FTP были (и остаются) полезными, первым приложением, совершившим переворот в сознании пользователей компьютеров сети ARPANET, стала электронная почта. До сети ARPANET существовали системы электронной почты, но все они были однокомпьютерными системами. В 1972 г. Рэй Томлинсон (Ray Tomlinson) из компании BBN (Bolt Beranek and Newman) написал пер 1.1. Краткая история сетей
вый пакет, предоставляющий распределенные почтовые услуги в компьютерной сети из нескольких компьютеров. Уже к 1973 г. исследования управления ARPA показали, что три четверти всего трафика сети ARPANET составляла электронная почта [107]. Польза электронной почты оказалась столь велика, что все больше пользователей желало подключиться к сети ARPANET, в результате чего возрастала потребность в добавлении новых узлов и использовании высокоскоростных линий. Таким образом, появилась тенденция, сохраняющаяся по сей день.
По мере того как сеть ARPANET росла, она стала привлекать не только исследователей государственных и академических учреждений, но также и сотрудников министерства обороны США. Конфигурация сети и управление сетью стали важными вопросами, так же как и надежность, и доступность сети. Соответствен но, в 1975 г. управление сетью ARPANET было передано от исследовательского управления ARPA управлению связи министерства обороны США (Defense Communications Agency).
Технология коммутации каналов оказалась столь успешной, что управление ARPA применило ее в тактической радиосвязи (Packet Radio) и в спутниковой связи (SATNET). Поскольку все три сети работали в принципиально различных средах, значения таких параметров, как, например, максимальный размер пакета, сильно различались в каждом случае. Столкнувшись с проблемой объединения этих сетей, Винт Серф (Vint Cerf) и Боб Кан (Bob Kahn) из управления ARPA начали работы по разработке методов и протоколов объединения сетей, то есть передачи сообщений через произвольные многочисленные сети с к
оммутацией пакетов. В мае 1974 г. они опубликовали весьма важную статью [44], кратко описывающую их подход к созданию протокола TCP. Их предложения были скорректированы и дополнены сообществом ARPANET. Основной вклад в эту работу был внесен Европейским сетевым сообществом , в частности такими объединениями, как Cyclades (Франция) и EIN. В результате были разработаны протоколы TCP и IP, сформировавшие основу набора протоколов TCP/IP, являющегося базисом сети Интернет, в которую ARPANET вошла всего лишь как одна из множества объединенных сетей. В 1982_1983 гг. сеть ARPANET была переведен
а со своего оригинального протокола NCP на TCP/IP. Многие сети по всему миру были объединены в те времена с помощью этой технологии. Тем не менее, доступ к сети ARPANET был ограничен организациями, заключившими контракт с управлением ARPA.
Подключение Национального научного фонда США
В 1980_1981 гг. Национальный научный фонд США (National Science Foundation, NSF) расширил поддержку на другие группы исследователей в области кибернети ки, организовав сеть CSNET (Computer+Science Network). В 1986 г. Национальный научный фонд расширил Интернет-поддержку, охватив также и другие научные дисциплины, основав магистраль NSFNET. Изначально магистраль NSFNET была спроектирована для того, чтобы объединить шесть основанных Национальным научным фондом суперкомпьютерных центров, расположенных в различных штатах США, друг с другом, а также связать сами центры с пользователями суперкомп
ь ютеров по всей стране. Наконец, Национальный научный фонд предоставил возможность соединения со своей магистралью региональных сетей с коммутацией пакетов по всей стране. В 1990 г. сеть ARPANET прекратила свое существование.
Глава 1.Введение
Политика приемлемого использования
Удивительный рост Интернета не остался незамеченным в мире коммерции. Тем не менее, правительства многих государств (включая США вплоть до 1995 г.) продолжали субсидировать магистраль Интернета в собственных странах. Многие из этих государств проводили политику приемлемого использования (acceptable use), ограничивающую коммерческую активность. Зачастую использование Интернета ограничивалось исследовательским и учебным применением. Поскольку в США магистраль Интернета финансировалась Национальным научным фондом, сложилось убеждение, что использование ма
гистрали не должно выходить за рамки исследовательских, образовательных и государственных целей. Это мнение было утверждено в принятой политике приемлемого использования Интернета. «Культура» Интернета также наложила дополнительные информационные ограничения на его коммерческое использование.
Точки доступа в Интернет
В 1991 г. всего три компании: General Atomics, управлявшая сетью CERFnet (региональной сетью Калифорнии), Performance Systems International, управлявшая сетью PSINet (коммерческим отделением Нью-Йоркской региональной сети NYSERnet), и UUNET Technologies, коммерческий поставщик услуг Интернета, владевший сетью Alternet, — предоставляли практически все услуги TCP/IP на территории США. На своих собственных сетях они не были обязаны подчиняться требованиям политики приемлемого использования, установленной Национальным научным фондом, так как эти сети не задействовали магистраль NSF. Однако чтобы соединить
свои сети, им приходилось пользоваться магистралью NSF, подпадая в результате под требования политики. Чтобы решить эту проблему, они сформировали службу коммерческого информационного обмена (Commercial Information eXchange, CIX). Изначально это был механизм для обмена трафиком между тремя сетями компаний-основателей, работавший на маршрутизаторе Западного Берега, так что пользователи каждой сети могли связываться с пользователями других сетей без дополнительной платы. По мере того как на рынке появлялись новые поставщики услуг, они также находили эту концепцию поле
зной и присоединя лись к CIX. К 1996 г. в CIX входило 147 сетей. Одна из особенностей CIX заключается в том, что обмен данными между сетями не облагается платой, пропорциональной трафику. В 1994 г. аналогичный пункт связи, LINX (London Internet Exchange), был сформирован в Англии. В 1996 г. к нему было подключено 24 сети. В 1991 г. правительство США объявило, что после 1995 г. оно более не будет финансиро вать Интернет. Как часть плана приватизации правительство объявило о формировании пунктов связи, названных точками доступа к сети (network access points). Сейчас существует три таких пункта, около Нь
ю-Йорка, Чикаго и Сан-Францис ко. Кроме того, есть два региональных обменных узла (Metropolitan Area Exchange, MAE), Восточный (MAE East) и Западный (MAE West). Когда в 1995 г. правительство США приватизировало государственную магистраль, то, по крайней мере, часть Интернета, находящаяся на территории США, оказалась открытой для теоретически ничем не ограниченной коммерческой активности. На протяжении нескольких последних лет в коммерческом домене .com наблюдался самый высокий рост, превышающий рост образовательного домена .edu, ранее доминировавшего по скорости регистрации хостов
в Интернете. 1.1. Краткая история сетей
Всемирная паутина
Весной 1989 г. в Европейском центре ядерных исследований (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee) предложил идею распределенной гипертекстовой технологии для упрощения обмена по Интернету информацией о научных исследованиях. Почти ровно через два года в центре CERN был разработан прототип Паутины, для которой в качестве платформы использовался компьютер NeXT. К концу 1991 г. центр CERN выпустил браузер с интерфейсом командной строки, предназначенный для ограниченного числа пользователей. Взрывоподобный технологический прорыв произошел с появле
нием первого браузера с графическим интерфейсом , Mosaic, разработанного в центре NCSA (National Center for Supercomputing Applications — Национальный центр по применению суперкомпьютеров) в университете штата Иллинойс Марком Андреассоном (Mark Andreasson) и другими в 1992 г. За короткое время по Интернету разошлось два миллиона копий браузера Mosaic. За несколько лет формат веб-адресов в виде URL (Uniform Resource Locator — унифицированный указатель информационного ресурса) стал повсеместным. Теперь адреса в Паутине можно встретить повсюду — и в газете, и на телевидении. На рис. 1.1, а показан экспоненци
альный рост Паутины1 .
Обратите внимание на использование логарифмической шкалы. Начальные сведения по логарифми ческим шкалам можно найти на сайте ресурсов для студентов, специализирующихся в области кибернетики, по адресу WilliamStallings.com/StudentSupport.html.
Глава 1.Введение
Подобно тому как электронная почта способствовала быстрому росту сети ARPANET, Паутина вызвала стремительный рост Интернета. Рисунок 1.1, б иллюстрирует этот впечатляющий подъем. Сегодня количество хостов, соединенных с сетями Интернета, превышает 100 млн, количество пользователей исчисляется сотнями миллионов, а количество стран с доступом к Интернету исчисляется сотнями. Уже одно только огромное число пользователей диктует увеличение мощностей Интернета. Но что еще важнее, природа трафика, все более состоящего из графики и трафика реального времени, л
ожится тяжким бременем на Интернет.
Рост Интернета и эволюция природы его трафика как в зеркале отражается в бесчисленных корпоративных сетях, развившихся из простых выделенных линий или каналов с коммутацией пакетов между сайтами в сложные, связанные с Интернетом частные сети с поддержкой интранет-приложений. Таким образом, требования производительности, накладываемые на Интернет, отражаются в этих частных сетях, поэтому и протоколы, и методы, обсуждаемые в этой книге, применимы как к Интернету, так и к частным сетям.
Появление ATM
Примерн о столь же важное влияние, как технология TCP/IP, на развитие сетей оказала технология ATM. Как и о TCP/IP и Интернете, о технологии ATM можно рассказать много интересного. Здесь предлагается очень краткое описание.
Первые телефонные и телеграфные сети основывались на технологии аналоговой коммутации и передачи, а также на коммутации каналов. В таком виде они сохранялись много десятилетий. Однако, в конце концов, в этих сетях стали применяться цифровые компьютеризованные коммутаторы и технологии цифровой передачи, хотя при этом сами сети оставались сетями с коммутацией каналов. Такие сети обычно называют интегрированными цифровыми сетями (Integrated Digital Network, IDN). В этом названии отражается интеграция коммутации и передачи при помощи цифровых технологий. Идея IDN была
предложена еще в 1959 г. [225]. Вскоре последовала и реализация. Первая цифровая система с T-носителем была предложена на рынке корпорацией AT&T в 1962 г., а первый крупномас штабный цифровой коммутатор с разделением времени 4ESS был представлен компанией Western Electric в 1976 г.
Эволюция общественных телефонных линий от аналоговых к цифровым была вызвана необходимостью предоставления экономичных услуг голосовой связи. Таким образом, IDN объединила протяженность телефонной сети со способностью передачи данных цифровых сетей в структуру, получившую название ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интегрированными службами). В данном контексте слово «интегрированными» означает, что по одним и тем же линиям передачи через одни и те же цифровые узлы обмена одновременно передается оцифрованный голос и разнообразный цифровой тр
афик. Основной особенностью сети ISDN является незначительная плата за предоставление услуг передачи данных по цифровой телефонной сети, при этом никакой дополнитель ной платы за передачу голоса не взимается, так как сеть IDN изначально предназнача лась для предоставлен ия подобной услуги. 1.1. Краткая история сетей
ISDN и ретрансляция кадров
Развитие ISDN направлялось набором рекомендаций, выпускаемых сектором ITU-T1 Международного союза телекоммуникаций. Эти рекомендации, или стандарты, были впервые выпущены в 1984 г., более полные версии появились в последующие годы.
Интересно рассмотреть историю интереса Международного союза телекомму никаций к сетям ISDN. В 1968 г. Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT) создал специальную исследовательскую группу D (предшественницу сегодняшней группы XVIII, отвечающую за ISDN в ITU-T), чтобы рассмотреть широкий спектр вопросов, связанных с использова нием цифровых технологий в общественных телефонных сетях. На каждой пленарной ассамблее исследовательская группа получала задание на следующий четырехлетний период. Принципиальные вопросы каждого периода пок
азаны в табл. 1.2. Эти вопросы отражают эволюцию интереса Международного союза телекоммуникаций к сетям ISDN. Фокус смещается с цифровой технологии на сети IDN, а затем на сети ISDN.
Таблица 1.2. Основной вопрос, задаваемый специальной исследовательской группе D (1969_1976) и исследовательской группе XVIII (1977_1992)
Период исследований
1969_1972 Планирование цифровых систем
1973_1976 Планирование цифровых систем и интеграции услуг
1977_1980 Общие аспекты IDN
1981_1984 Общие сетевые аспекты IDN
1985_1988 Общие аспекты ISDN
1989_1992 Общие сетевые аспекты ISDN
Представление о сетях ISDN сформировалось уже в течение первого периода исследований. Выпущенная в 1972 г. рекомендация G.702 содержала следующее определение ISDN: «Интегрированная цифровая сеть, в которой для установки соединений для различных служб, например телефонии и передачи данных, используются одни и те же цифровые коммутаторы и цифровые пути». В тот момент не было информации о типе сети, способной интегрировать цифровые коммутато ры и пути, или о том, как сеть может интегрировать различные службы. Тем не менее, это было осознание эволюции, которая могла
произойти с помощью цифровой технологии.
В период исследований с 1977 по 1980 г. комитет CCITT осознал, что эволюция в направлении к цифровой сети идет полным ходом, и ее важность превосходит значимость стандартизации индивидуальных цифровых систем и оборудования. Таким образом, основное внимание было обращено на интеграционные аспекты
1 International Telecommunications Union-Telecommunications (Международный союз телекомму никаций, сектор телекоммуникаций). Ранее эта организация была известна под именем CCITT (Consultative Committee for International Telephone and Telegraphy — Международный консультатив ный комитет по телефонии и телеграфии). Новое сокращение на 20 % короче, но, увы, новое название на 22 % длиннее.
Глава 1.Введение
цифровой сети и на интеграцию услуг в сети IDN. Во время данного периода исследований сформировались два основных направления разработок.
и Интеграция услуг основывается на предоставлении стандартизированного интерфейса UNI (User-to-Network Interface — интерфейс пользователь —сеть), позволяющего пользователю запрашивать различные службы при помощи унифицированного набора протоколов.
и Телефонная сеть будет преобразовываться в сеть ISDN.
К концу этого периода появился первый стандарт ISDN. Рекомендация G.705 была всего лишь общей декларацией принципов и целей для ISDN. С началом следующего периода (1981_1984) сеть ISDN была провозглашена главной заботой комитета CCITT. К концу этого периода был опубликован набор рекомендаций, названный серией I. Этот начальный набор был неполон и в некоторых случаях внутренне противоречив. Тем не менее, к 1984 г. для производителей и поставщиков услуг спецификация была достаточна, чтобы начать разработку оборудования, имеющего отношение к ISDN, и чтобы продемонстрировать
связанные с ISDN службы и сетевые конфигурации.
К 1988 г. рекомендации серии I были достаточно детализированы, чтобы стала возможной предварительная реализация ISDN. Сеть ISDN появилась и получила широкое распространение только в первой половине 90-х гг.
Среди достижений ISDN следует особо отметить разработку спецификации ретрансляции кадров. Ретрансляция кадров (frame relay) представляет собой модернизированную форму коммутации пакетов, годящуюся для использования в высокоскоростных (до 2 Мбит/с) сетях. Хотя изначально ретрансляция кадров была стандартизирована в контексте ISDN, но вскоре она переросла этот контекст и стала популярной в качестве основы общественных и частных сетей. Сегодня ретрансляция кадров уверенно присутствует в самых разных контекстах, не имеющих отношения к ISDN.
Широкополосная сеть ISDN
В 1988 г. как часть серии I рекомендаций по ISDN комитет CCITT издал две рекомендации, относящиеся к широкополосной сети ISDN (Broadband ISDN, B-ISDN): I.113, «Словарь терминов для широкополосных аспектов ISDN», и I.121, «Широкополосные аспекты ISDN». Эти документы демонстрировали уровень достигнутого участниками консенсуса по вопросам, касающимся природы будущей широкополосной сети ISDN на 1988 г. Они составили предварительное описание и основу для последующей стандартизации и работы по совершенствованию системы. Некоторые важные идеи, высказанные в этих документах, перечислены ниже
.
и Широкополосная сеть — это служба или система, для которой требуются каналы передачи, способные поддерживать скорость, превышающую исходную.
и Термин «B-ISDN» используется для удобства, чтобы подчеркнуть широкополосные аспекты ISDN. На самом деле имеется нотация единой сети ISDN, предоставляющей широкополосные услуги, а также другие услуги ISDN.
и ATM представляет собой режим передачи для реализации сети B-ISDN и не зависит от средств транспортировки физического уровня. 1.1. Краткая история сетей
и В основе сети B-ISDN будут лежать понятия, разработанные для ISDN, и сеть B-ISDN может развиваться путем прямого внедрения в сеть дополнительных функций широкополосной сети B-ISDN, обеспечивающих новые и передовые услуги.
и Поскольку B-ISDN основывается на общих концепциях ISDN, базовая конфигурация доступа ISDN также является базовой и для B-ISDN.
Далее перечислены факторы, определяющие направление работ сектора ITU-T над сетью B-ISDN:
и Появление спроса на широкополосные услуги.
и Наличие технологий высокоскоростной передачи данных, коммутации и обработки сигналов.
и Доступные пользователю усовершенствованные технологии обработки данных и изображений.
и Прогресс в программной обработке, имеющий место в компьютерной промышленности и индустрии телекоммуникаций.
и Необходимость в интеграции интерактивных служб и служб распределения.
и Необходимость в интеграции канального режима и режима переноса пакетов в универсальную широкополосную сеть.
и Необходимость в обеспечении гибкости в удовлетворении потребностей как пользователей, так и операторов.
и Необходимость в освещении широкополосных аспектов ISDN в рекоменда циях ITU-T.
Обратите внимание на зависимость B-ISDN от ATM. Как и ретрансляция кадров, ATM представляет собой модернизированную форму коммутации пакетов, подходящую для высокоскоростных сетей. В сетях ATM используются пакеты фиксированного размера, называемые ячейками (cells), в результате чего достигается еще большая эффективность, чем при ретрансляции кадров. Технология ATM может использоваться на скоростях более 100 Мбит/с и даже в гигабитном диапазоне.
Решение использовать ATM в качестве режима передачи для B-ISDN замечательно. В результате B-ISDN оказывается сетью, основанной на коммутации пакетов, причем как с точки зрения интерфейса пользователь—сеть, так и в терминах внутреннего механизма коммутации. Хотя рекомендация I.121 утверждает, что B-ISDN будет поддерживать приложения, работающие в режиме коммутации каналов, достигается это на базе транспортного механизма, в основе которого лежит передача пакетов. Таким образом, сеть ISDN, начавшая свою эволюцию от телефонной сети с коммутацией каналов, развилась в се
ть с коммутацией пакетов, в которой используются широкополосные службы.
С 1988 г. работа в секторе ITU-T направлялась перечисленными ранее концепциями. Результатом этой работы явились публикации многочисленных рекомендаций в серии I, специально относящихся к B-ISDN.
Следует упомянуть ATM-форум (ATM-Forum), играющий центральную роль в разработке стандартов ATM. В Международном союзе телекоммуникаций (ITU) и составляющих его членах из заинтересованных стран процесс разработки стан
Глава 1.Введение
дартов характеризуется широким участием представителей правительств, пользователей и промышленности, а также принятием решения по консенсусу. Этот процесс может занимать очень много времени. Несмотря на то что сектор ITU-T рационализировал свою работу, задержки, связанные с разработкой стандартов в области B-ISDN, в которой доминирует быстро развивающаяся технология ATM, остаются особенно значительными. Благодаря большому интересу к технологии ATM был создан ATM-форум с целью ускорения разработки стандартов ATM. На ATM-форуме наблюдалось более активное участие
со стороны производителей компьютеров, чем это было в случае с ITU-T. Поскольку решения на форуме принимаются на основании большинства голосов, а не консенсусом, он смог быстрее определяться с деталями, необходимыми для реализации ATM. Этот успех, в свою очередь, способствовал ускорению процесса стандартизации, которой занимался сектор ITU-T.
ATM
Подобно тому как ретрансляция кадров развивалась в ходе работ по созданию ISDN и теперь широко применяется в приложениях, не имеющих отношения к ISDN, ATM представляет собой технологию, разрабатывавшуюся как часть проекта B-ISDN, а теперь широко применяющуюся в самых разных приложениях. Для технологии ATM существует три основных сегмента рынка.
и Инфраструктура общественных сетей соответствует B-ISDN и состоит из общественных телекоммуникационных сетей, предоставляющих услуги телефонной связи, кабельного телевидения и глобальных компьютерных сетей.
и Локальная сеть ATM. Технология ATM может использоваться для объединения локальных сетей несколькими способами. Один ATM-коммутатор или сеть из ATM-коммутаторов может служить магистралью для объединения традиционных локальных сетей (например, Ethernet). В качестве альтернативы оконечные системы, такие как серверы и высокопроизводитель ные рабочие станции, могут напрямую соединяться с локальной сетью ATM.
и Глобальная сеть ATM. Этот сегмент рынка включает сети предприятий, работающие по выделенным линиям, инфраструктуры, находящиеся в частном владении, такие как оптоволоконные кабели и беспроводные каналы связи, а также линии, предоставляемые общественным сетевым оператором как виртуальные частные сети.
Как видно из рис. 1.2, составленного по данным ATM-форума, рынок локальных сетей появился как коммерчески жизнеспособный сектор для оборудования, основанного на ATM-технологии. Движущей силой на этом рынке была потребность в высокоскоростной недорогой поддержке локальных сетей, что будет обсуждаться в разделе 1.2. Такие сегменты рынка, как общественная инфраструктура и глобальная сеть ATM, развивались медленнее, потому что испытывали конкуренцию со стороны технологии ретрансляции кадров и в связи с огромными расходами, необходимыми для перехода на новую си
стему с уже имеющейся конфигурации. Оба эти сегмента становятся основными на рынке сетей.
Современные компьютерные сети. 2-е изд.. / В. Столлингс - СПб: Питер, 2003. - 784 с.
|