Sítě lokální obhájily bezesporu své místo v podnikovém prostředí podporují
skupinové aplikace, zajišťují bezpečnou a snadnou dostupnost potřebných dat a
informací a slouží jako infrastruktura elektronické komunikace v rámci podniku.
Nicméně dnešní firmy mají stále častěji distribuovaná pracoviště, pobočky v
různých městech nebo i v zahraničí, a také stále více zaměstnanců pracuje z
domova. V takovém případě již nestačí pouze jediná lokální síť, ale je potřebná
komunikace na velkou vzdálenost, kterou nejlépe podporují rozlehlé sítě (WAN).
V tomto dílu se proto budeme věnovat právě těmto typům sítí, jež především
slouží jako přenosové prostředí, s většími či menšími možnostmi pro zajištění
uživatelských požadavků na přenos různých typů signálů (data, hlas, obraz).
Rozlehlé sítě (Wide Area Networks, WAN) umožňují komunikaci mezi koncovými
uzly, stanicemi, lokálními nebo metropolitními sítěmi, zpravidla na velkou
vzdálenost. Původně sítě podporující pouze čistě datové služby (na rozdíl od
telefonní sítě PSTN, určené především pro hlasové služby), dnes rozšiřují svoji
působnost v souvislosti s integrací dat, obrazových a hlasových informací.
Rozlehlé sítě mohou tvořit přenosovou páteř podnikové sítě, ale z hlediska
přenosových rychlostí nemusí být nutně částí s nejvyšší propustností.
U všech rozlehlých sítí má pro koncového uživatele největší význam rozhraní
přístupu k síti, jeho vlastnosti, funkce a možnosti. Proto také většina
normalizovaných rozlehlých sítí přesně definuje rozhraní mezi sítí a uživatelem
z hlediska služeb, ale ponechává vnitřní uspořádání sítě na samotném
provozovateli (z hlediska uživatele se síť jeví jako síťový oblak nebo spíše
černá schránka).
Typické vlastnosti pro rozlehlé sítě
- poskytují přenosové kapacity prostřednictvím komunikace se spojením,
- nepoužívají sdílený přenosový prostředek,
- podporují omezeně vysílání na skupinovou adresu a nepodporují vysílání na
adresu všeobecnou,
- nepodporují uživatelské aplikace přímo v síti, poskytují jim jen přenosové
prostředí,
- převážně slouží ke komunikaci na velké vzdálenosti (přesahující možnosti
lokálních či metropolitních sítí).
Moderní rozlehlé sítě již umožňují podstatně více než jejich předchůdci a nelze
je s čistým svědomím "ponížit" pouze na sítě přenosové. Obecným základem
funkčnosti rozlehlých sítí je existence nebo dynamické vytváření spojení nebo
okruhů (fyzických i virtuálních) mezi dvojicemi stanic, které spolu chtějí
komunikovat v síti. Přepojování v centrálních zařízeních sítě (ústředny,
přepínače) se dělí na přepojování okruhů a přepojování paketů:
přepojování okruhů je nejstarší způsob používaný jak v telegrafních tak
telefonních sítích, ale je také základem ISDN mezi koncovými uživateli musí být
nejprve vybudována celá komunikační cesta, která je po dobu spojení plně pouze
a jen k dispozici pro komunikaci těchto dvou stanic (případně více stanic
komunikujících mezi sebou);
přepojování paketů vzniklo z přepojování zpráv a dnes se ve své nejklasičtější
podobě využívá v rozlehlých sítích X.25 není třeba nejprve vybudovat celou
komunikační cestu mezi dvěma stanicemi a zablokovat ji pro celou dobu
komunikace, místo toho se využívá tzv. virtuálních okruhů. Přepojovací zařízení
sítě se řídí cílovými adresami v příchozích datových jednotkách a podle nich
využijí buď předem definovanou cestu (prostřednictvím pevného virtuálního
okruhu, PVC), nebo dynamicky sestavenou cestu (na základě přepínaného
virtuálního okruhu, SVC). Přepojování paketů různých délek vedlo ke vzniku sítí
na bázi přepojování rámců proměnných délek (síť Frame Relay) až k sítím s
přepojováním konstantních buněk (sítě typu ATM).
Podle druhu přepojování se sítě dělí na ty s přepojováním okruhů nebo krátce
komutační sítě (PSTN, ISDN) a na sítě s přepojováním paketů, paketové sítě.
Mezi normalizované a široce využívané paketové rozlehlé sítě patří (v pořadí
vzniku a současně vzestupně podle maximálních přenosových rychlostí):
- X.25,
- Frame Relay,
- Asynchronous Transfer Mode (ATM).
Pro přechod od pomalejších rozlehlých sítí k ATM byla definována ještě jedna
síťová služba, Switched Multimegabit Data Service (SMDS), nebo také
Connectionless Broadband Data Service (CBDS). Jedná se o veřejnou paketovou
službu bez spojení poskytující vysokou přenosovou rychlost (do 45 Mb/s),
určenou především pro propojení lokálních sítí, pracujících rovněž v režimu bez
spojení. Na rozdíl od ostatních jmenovaných typů rozlehlých sítí nebo
technologií (X.25, Frame Relay nebo ATM), SMDS definuje službu, nikoli síť.
Služba SMDS byla specifikována firmou Bellcore v USA na přelomu osmdesátých a
devadesátých let a poprvé implementována v r. 1992. CBDS je evropská,
normalizovaná varianta SMDS (ETSI, ETS 300 217). Podobnost s ATM tkví v poprvé
použité konstantní délce datové jednotky, a to 53 oktetů (obdoba buňky ATM), v
souladu s vrstvou AAL u ATM.
Základní charakteristiky všech typů rozlehlých sítí postavených na bázi
přepojování paketů a jejich porovnání jsou uvedeny v tabulce: Porovnání
charakteristik rozlehlých sítí. Vzhledem k omezenému prostoru tohoto článku
jsou jednotlivé sítě popsány velmi stručně, proto pro jejich vzájemné porovnání
a následnou volbu mezi nimi pro konkrétní situaci a aplikaci jsou jednotlivě
shrnuty jejich výhody a nevýhody. Pouze na okraj je dobré připomenout, že
všechny zmiňované typy sítí podporují jakékoli protokoly vyšších vrstev (jiná
situace je v ojedinělých případech starších spojových protokolů, viz dále).
Mezi rozlehlé sítě přímo nepatří, ale pro přístup k nim nelze opomenout využití
analogových spojů pro vytáčená spojení, která jsou vhodná nejen pro přístup k
rozlehlé síti, ale také pro komunikaci uživatele s podnikovou sítí. Vhodná jsou
všude tam, kde se nepřenášejí velké soubory, nejsou velké nároky na rychlost
(do 56 Kb/s, běžněji do 33,6 Kb/s přes telefonní síť, více přes síť ISDN), ani
na zpoždění. Tento typ spojení se také úspěšně využívá jako záložní pro jinou
primární komunikaci po rozlehlé síti.
Veřejné vs. soukromé rozlehlé sítě
Při požadavku na komunikaci do velkých vzdáleností se lze rozhodovat mezi
využitím veřejných sítí nebo budováním sítě soukromé (na rozdíl od sítí
lokálních, které jsou téměř výhradně soukromé, podnikové).
Veřejné rozlehlé sítě se stávají stále populárnější v souvislosti s jejich
nabídkami, vývojem, typy a technologiemi, rychlostmi přenosu a cenovou
politikou. Především znamenají přesun zodpovědnosti za management sítě z
podnikového síťového správce na provozovatele příslušné sítě.
Soukromé sítě využívají buď vlastní infrastrukturu, nebo pronajaté okruhy mezi
datovými zařízeními, především přepínači WAN. Veškerá zařízení sítě jsou v
majetku vlastníka sítě podobně jako management spojů a zařízení. Pronajaté
okruhy (digitální nebo analogové), s rychlostmi běžně od 56 Kb/s do 155 Mb/s,
nebývají cenově nejpříznivější. Důvodem je jejich neefektivní skutečné využití
a malá pružnost v případě nutnosti změnit topologii sítě.
Každá z výše uvedených alternativ má své výhody i nevýhody, proto je třeba vzít
v úvahu celou řadu faktorů (nejen pořizovacích a provozních nákladů), mezi něž
patří otázky:
- jak dalece je potřeba mít nad rozlehlou sítí dohled,
- jaké jsou bezpečnostní požadavky na komunikaci,
- zda je k dispozici personál pro vybudování, údržbu a management sítě,
- jaké jsou stávající investice do datových zařízení,
- zda je třeba přísně rozlišovat mezi lokální a rozlehlou sítí, nebo lze využít
určitého stupně integrace,
- pro jaké typy aplikací dálková komunikace bude využívána a jaký je vzorek
provozu (objem, častost, konstantní nebo proměnný),
- jaké jsou výkonnostní požadavky všeobecně a jak se liší v jednotlivých
místech, která je třeba propojit,
- jaký je počet míst pro propojení a
- jak jsou geograficky rozložena.
Co je DTE a DCE?
Než se pustíme podrobněji do jednotlivých typů rozlehlých sítí, musíme si
uvědomit, že v připojování k rozlehlé síti se z hlediska funkčnosti rozeznávají
dva základní typy zařízení (viz obr. DTE a DCE v rozlehlých sítích):
- koncové (datové) zařízení (Data Terminal Equipment, DTE) využívá
komunikačních služeb pro vlastní činnost, která je jiného charakteru. Příkladem
jsou počítače (osobní, pracovní stanice, minipočítače nebo sálové), terminály,
tiskárny, specializovaná zařízení (čtečky čárových kódů, bankomaty), ale také
směrovače (z hlediska rozlehlé sítě).
- ukončující (datové) zařízení (okruhu) (Data-Circuit Terminating Equipment,
DCE, někdy nesprávně Data Communications Equipment) poskytuje přístup ke
komunikačním prostředkům nebo je přímo implementuje. Jeho úkolem je přesouvat
informace a poskytovat rozhraní mezi rozlehlou sítí a koncovým zařízením.
Ukončující datové zařízení zakončuje buď telekomunikační okruh, který mění na
datový, nebo datovou síť, jejíž je potom součástí. Příkladem jsou ústředny,
přepínače v rozlehlých sítích, modem, terminálový adaptér.
Pojmy DTE a DCE jsou systémové a jsou důležité při řešení topologie (rozmístění
a propojení částí systémů a sítí) a architektury (struktury řízení systémů a
sítí).
Spojové protokoly
Zmiňme se o možných způsobech připojení k rozlehlým sítím a o příslušných
spojových protokolech používaných na sériových spojích (v některých případech
jsou základem komunikace na spojové vrstvě v rámci paketových sítí):
High Data Link Control (HDLC) normalizovaný protokol (ISO/IEC) vychází z
firemního protokolu SDLC (Synchronous Data Link Control, IBM). Podporuje
synchronní komunikaci, v plně duplexním režimu a v konfiguraci jak dvoubodové,
tak vícebodové. V komunikaci rozlišuje jako jediný mezi primární a sekundární
stanicí; podporuje tři přenosové režimy.
Link Access Procedure Balanced (LAPB) normalizovaný protokol (ISO/IEC) odvozený
z HDLC, modifikace asynchronního vyváženého režimu (Asynchronous Balanced Mode,
ABM).
Serial Line Internet Protocol (SLIP) jeden z nejjednodušších spojových
protokolů, omezených na přenos IP datagramů po vytáčeném spojení se sériovým
rozhraním EIA/TIA 232 připojeným na modem. Běžná podporovaná rychlost v rámci
protokolu SLIP (podle RFC 1055) je 1 200 b/s až 19,2 Kb/s, ale prakticky je
možná i vyšší. Protokol lze použít pro komunikaci mezi koncovými uživateli,
mezi koncovým uživatelem a směrovačem nebo mezi směrovači. Vylepšením protokolu
je komprimovaný SLIP (Compressed Serial Line Internet Protocol, CSLIP), který
používá kompresi záhlaví TCP/IP pomocí Van Jacobsonova algoritmu (RFC 1144).
Point-to-Point Protocol (PPP) de facto normalizovaný, otevřený protokol (IETF
RFC 1661, RFC 2153) vhodný pro použití v heterogenním prostředí se zařízeními
od různých výrobců, protože podporuje multiprotokolové prostředí a navíc má
řadu podpůrných výběrových funkcí. Protokol provádí dynamickou konfiguraci při
navazování spojení (s možností autentizace, komprese apod.). PPP se skládá ze
dvou úrovní:
- protokol řízení spoje (Link Control Protocol, LCP) navazuje spojení, dohaduje
konfiguraci a testuje spoj. Může probíhat až ve čtyřech fázích, z nichž pouze
dvě jsou povinné: navázání a udržování spojení. Další dvě, autentizace a
zjištění kvality spoje, jsou volitelné a závisí na konkrétní implementaci
protokolu.
- protokoly řízení sítě (Network Control Protocol, NCP) se používají jako
podpora pro jednotlivé protokoly vyšší, síťové vrstvy (pro zapouzdření,
adresaci apod.). Pro každou síťovou architekturu (TCP/IP, AppleTalk, NetWare
apod.) existuje specifický protokol NCP (definovaný v příslušném RFC).
Síť X.25
Paketová síť X.25 (podle označení doporučení CCITT) je tvořena přístupovými
protokoly: protokoly fyzické, spojové a síťové vrstvy (doporučení X.25 sice
definuje síťový protokol, ale běžně se používá pro označení celé sítě). X.25
vzniklo v roce 1976, kdy neexistoval pojem vrstvové architektury a referenční
model OSI, proto jeho původní architektura přímo neodpovídala vrstvovému modelu
OSI (popsanému v první části tohoto seriálu).
Mezi základní charakteristiky sítě X.25 patří:
- komunikace se spojením, zajišťující bezchybný přenos paketů prostřednictvím
pevných a přepínaných virtuálních okruhů,
- přenosové prostředí pro pakety libovolných síťových architektur,
- rychlost maximálně do 64 Kb/s,
- síťová adresa podle doporučení X.121,
- žádná podpora pro přenos paketů na skupinovou nebo všeobecnou adresu.
Frame Relay
Síť Frame Relay (rámcové komunikace nebo převádění rámců) je mezi rozlehlými
sítěmi velmi populárním následovníkem sítě X.25, především díky vyšším
rychlostem, které poskytuje. Zrychlení se docílilo odbouráním síťové vrstvy a
jejích funkcí a zjednodušení práce propojovacích zařízení sítě pouze na úroveň
spojové vrstvy. Mezi její základní vlastnosti patří:
- typická přenosová rychlost 64 Kb/s až 2 048 Mb/s (možná rychlost až 45 Mb/s),
- proměnná velikost rámců až do 8 189 oktetů,
- přenos po dvoubodových okruzích,
- služba se spojením po pevných nebo přepínaných virtuálních okruzích (jedno
fyzické rozhraní podporuje více logických spojení),
- transparentní přenos,
- detekce chyb (bez opravy).
Frame Relay na spojové vrstvě používá bitově orientovaný protokol LAPF (Link
Access Procedure Frame relay), odvozený z LAPB, resp. HDLC. Přestože řízení
zabezpečení a řízení toku nezabezpečuje síť, ale koncová zařízení, má síť
možnost oznámit koncovým komunikujícím stanicím problém s nízkou propustností
sítě:
- dopředné oznámení o přetížení (Forward Explicit Congestion Notification,
FECN) oznámení sítě přijímajícímu uživateli, že rámec byl doručen po přetíženém
spojení, proto má snížit rychlost příjmu rámců. Přijímající koncová stanice
(při nastavení bitu FECN) musí zkontrolovat objem příchozího provozu pokud se
překročí CIR (Committed Information Rate, propustnost zajištěná sítí na základě
dohody uživatele s provozovatelem), má situaci oznámit vysílající stanici
pomocí BECN, aby se redukoval provoz od příjemce,
- zpětné oznámení o přetížení (Backward Explicit Congestion Notification, BECN)
oznámení sítě odesílateli o přetížení sítě a o vyvolání opatření proti
zahlcení. Zdrojové zařízení by mělo snížit objem vysílání k dané cílové
stanici, pokud ještě nějaká data posílá.
Frame Relay je vhodné pro propojování lokálních sítí na velké vzdálenosti, nebo
pro aplikace generující nárazově velké objemy dat. Naproti tomu není
nejvhodnějším řešením pro přenos videa (z důvodů rámců proměnné délky) a pro
aplikace citlivé na zpoždění (například přenos hlasu, který se řeší v rámci
nadstavby Voice over Frame Relay, VoFR).
ATM
Asynchronní režim převádění (Asynchronous Transfer Mode, ATM) je technika
přenosu buněk (konstantní délky), jejich statistického multiplexování,
přepojování a směrování k adresátům po virtuálních kanálech. Pojem asynchronní
však neznamená asynchronní přenos, ale nepravidelný výskyt buněk během spojení.
Pojem převádění (transfer) v sobě skrývá nejen přenos, ale i přepojování.
Vlastní síť se skládá z komunikačních cest mezi jednotlivými přepínači ATM. ATM
definuje jak rozhraní mezi uživatelem a sítí (UNI), tak mezi jednotlivými
přepínači v síti (NNI).
Základní vlastnosti ATM lze shrnout následovně:
- přenosové prostředí nabízející komunikaci se spojením a podporující vysoké
přenosové rychlosti (1,5 Mb/s až 2,4 Gb/s) v plně duplexním režimu,
- komunikace po přepínaných nebo pevných virtuálních okruzích,
- garantovaná kvalita služeb (podle toho garance šířky pásma), vhodná pro různé
typy přenášených informací,
- přenos datových jednotek konstantní délky 53 bitů,
- virtuální adresace, pomocí označení virtuální cesty a v ní virtuálního
spojení,
- bez detekce chyb a řízení toku v rámci virtuálního okruhu.
Architektura ATM sestává ze tří vrstev:
- fyzická vrstva ATM pracuje se sledem bitů a slouží k oddělení vlivu
přenosového média na operaci s buňkami, typy fyzického přenosového prostředku a
přenosové rychlosti jsou velmi různorodé v rámci ATM, od 1,5/2 Mb/s přes 155
Mb/s po 622 Mb/s (vyšší rychlosti se testují);
- vrstva ATM je zcela nezávislá na přenosovém médiu a je založena na předem
určených virtuálních kanálech (Virtual Channel, VC) a virtuálních cestách
(Virtual Path, VP), tj. svazcích virtuálních kanálů. Kombinace virtuálních
kanálů a cest se využívá pro směrování jednotlivých buněk sítí prostřednictvím
dvojice jejich identifikátorů VCI/VPI (Virtual Channel Identifier/Virtual Path
Identifier). Kromě "překladu" identifikátorů virtuálních cest a kanálů se
vrstva ATM stará o multiplexování a demultiplexování, formátování buněk do 53
bitů délky a jejich řazení ve správném pořadí. Protokol vrstvy ATM nerealizuje
potvrzování ani opravu chyb či řízení toku (s výjimkou řízení toku mezi
uživatelem a sítí), protože se spoléhá na kvalitní, bezpečné a spolehlivé
přenosové prostředky. Pokud dojde ke ztrátě nebo znehodnocení buňky přenosem,
musí se o její opětovný přenos postarat protokoly vyšších vrstev;
- adaptační vrstva ATM (ATM Adaptation Layer, AAL) je zodpovědná za rozhraní
mezi ATM a vyššími protokoly. Rozeznává se pět typů AAL, jejichž souvislost s
charakterem a poskytovanými službami je naznačena v tabulce: Typy služeb ATM
poskytovaných adaptačními vrstvami ATM.
ATM se často srovnává s gigabitovým Ethernetem z hlediska uplatnění v lokálním
prostředí. Výkonnostně si sice tyto dva typy sítí vcelku odpovídají, ale jejich
určení bylo odlišné. Gigabitový Ethernet kvůli svým topologickým omezením je
výlučně lokální záležitost, zatímco ATM je naopak především technologie
rozlehlých sítí, i když se všemi "doplňky" na podporu komunikace lokálních sítí
se snaží o průnik do lokálního prostředí; podobně je tomu u gigabitového
Ethernetu, ale obráceným směrem. I když se na první pohled může zdát, že je
výhodnější využít jednu technologii, která je schopná v lokálním i rozlehlém
prostředí, nemusí tomu tak být. Lokální sítě a sítě rozlehlé mají jiný
charakter, jiný účel i jinou cenovou politiku. Jakékoli přizpůsobování
technologie pro "cizí" prostředí s sebou nese určité nevýhody: potřebu dalších
protokolů a mechanismů, nutnost zásahu do hardwaru i softwaru koncových
uživatelů, potřebu zaškolování, to vše za příslušnou cenu navíc. Zatím žádná ze
zmíněných technologií nezvítězila na plné čáře, protože se ještě vyvíjejí a
každá má své "skalní" příznivce.
Zatím jsme se věnovali základům lokálních a rozlehlých sítí, v dalším dílu
spojíme znalosti principů práce jednotlivých typů sítí s nejrozšířenější
síťovou architekturou ve světě, a to TCP/IP.
Autorkou seriálu o sítích je Ing. Rita Pužmanová, CSc., specialistka na
propojování komunikačních sítí (rita@ieee.org).
Výhody X.25
nejstarší, ověřená veřejná paketová síť
dostupná (geograficky i cenově)
poplatky za navázaná spojení
vysoká spolehlivost
Nevýhody x.25
nízká rychlost, vysoké zpoždění
neodpovídá integraci dat a multimediálních informací
možnost zahlcení sítě při velkém počtu účastníků
odlišnosti sítí podle různých verzí doporučení
Výhody frame relay
dobrá výkonnost (nízká režie přenosu), přenos dat ve shlucích vysokou rychlostí
schopnost přizpůsobit šířku pásma a výkonnost na vyžádání až do přístupové
rychlosti, a to asymetricky
cenová politika u veřejných sítí (podle požadované a garantované šířky pásma,
bez ohledu na vzdálenost přenosu)
šířka pásma na vyžádání (BoD)
pružná topologie (rozšíření sítě, správa)
Nevýhody frame relay
přenos rámců proměnné délky implicitně nepodporuje přenos informací citlivých
na zpoždění
Seznam použitých zkratek
ABM Asynchronous Balanced Mode
ANSI American National Standards Institute
ATM Asynchronous Transfer Mode
BoD Bandwidth on Demand
AAL ATM Adaptation Layer
CBDS Connectionless Broadband Data Service
CCITT viz ITU-T
CSLIP Compressed Serial Line Internet Protocol
DCE Data Circuit-Terminating Equipment
DTE Data Terminal Equipment
ETSI European Telecommunications Standards Institute
ETS European Telecommunications Standard
FECN Forward Explicit Congestion Notification
CIR Committed Information Rate
BECN Backward Explicit Congestion Notification
HDLC High Data Link Control
IEC International Electrotechnical Commission
IETF Internet Engineering Task Force
ISDN Integrated Services Digital Network
ISO International Organization for Standardization
ITU-T International Telecommunications Union Telecommunications sector
LAPB Link Access Procedure Balanced
LAPF Link Access Procedure Frame relay
LCP Link Control Protocol
NCP Network Control Protocol
NNI Network to Network Interface
PPP Point-to-Point Protocol
PSTN Public Switched Telephone Network
PVC Permanent Virtual Circuit
RFC Request For Comment
SDLC Synchronous Data Link Control
SLIP Serial Line Internet Protocol
SMDS Switched Multimegabit Data Service
SVC Switched Virtual Circuit
UNI User to Network Interface
VC Virtual Channel
VCI/VPI Virtual Channel Identifier/Virtual Path Identifier
VoFR Voice over Frame Relay
VP Virtual Path
WAN Wide Area Network
Výhody atm
(garantovaná) šířka pásma na přání
integrace původních síťových struktur
pružnost, rozsah a škálovatelnost
přenosová podpora všech typů informací (data, hlas, obraz, multimédia)
adaptace jak pro WAN, tak LAN (LANE)
zabezpečení
Nevýhody atm
složitá technologie
vysoké náklady (zejména pro koncové řešení ATM v lokální síti)
pouze střední odolnost vůči chybám
Zdroje WWW
ANSI - (American National Standards Institute) www.ansi.org
ETSI - (European Telecommunications Standards Institute)www.etsi.org
IEC - (International Electrotechnical Commission)www.iec.ch
IETF - (Internet Engineering Task Force) www.ietf.org
ISO - (International Organization for Standardization)www.iso.ch
ITU-T(International Telecommunications UnionTelecommunications standardization
sector)www.itu.int
ATM Forum - www.atmforum.com
FRF - (Frame Relay Forum) www.frforum.com
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU