Тема 7 Глобальная компьютерная сеть Х.25 Презентацию лекций разработал доцент кафедры оптимизации систем управления Томского политехнического университета Комагоров Владимир Петрович

Глобальные компьютерные сети (GAN) объединяют WAN, компьютерные сети стран, материков. Построение этих сетей выполняется строго в соответствии с международными стандартами. Примером глобальной сети является сеть INTERNET, которая соединила в себе национальные сети стран мира, содержит сотни миллионов компьютеров, обеспечивает удаленный доступ к мировым информационным ресурсам (в том числе, национальным библиотечным фондам), позволяет передавать и принимать сообщения в режиме «электронная почта» (E mail) абонентами, находящимися на разных материках.

В зависимости от способа передачи данных GAN подразделяются на два больших класса: сети Х.25 и сети TCP/IP. Принадлежность GAN к одному из этих двух классов определяется типом используемого для передачи данных сетевого протокола. В сетях Х.25 для передачи данных через коммуникационную подсеть применяется протокол сетевого уровня Х.25, реализующий метод виртуальных соединений. Сети TCP/IP строятся на дейтаграммном способе передачи данных, когда маршрут передаваемых сообщений (дейтаграмм) заранее не определен и зависит от степени загрузки каналов связи и узлов коммутации. Эти сети используют для передачи данных семейство протоколов транспортного (ТСР) и сетевого (IP) уровней.

В качестве каналов связи в GAN используются телефонные кабели, радиорелейные линии связи, волоконно-оптические магистральные каналы, ССС. Особенность физического уровня GAN состоит в применении специальных устройств - модемов для подключения удаленных сетевых абонентов к коммуникационной подсети по телефонным каналам связи. Слово модем является сокращением от слов модулятор / демодулятор. Модем это устройство, преобразующее двоичные цифровые сигналы, поступающие с компьютера, в частотно модулированные сигналы, которые передаются по телефонным каналам связи. При приеме модем осуществляет обратное преобразование модулированных сигналов в двоичной цифровой код, который обрабатывается принимающим компьютером.

Существуют три основных способа модуляции двоичных цифровых сигналов: амплитудная, фазовая и частотная. Схемы модуляции приведены на рис. 40. При амплитудной модуляции производится модуляция амплитуды несущей частоты двоичного сигнала. При частотной модуляции значения 0 и 1 двоичного сигнала передаются сигналами с различной частотой f 1 и f 2. При фазовой модуляции значениям сигналов 0 и 1 соответствуют сигналы частоты f 1 с разной фазой. Схема соединения компьютеров через телефонную сеть представлена на рис. 41.

Рис. 40. Схемы модуляции двоичных цифровых сигналов

Рис. 41. Схема соединения компьютеров через телефонную сеть

Чтобы модемы могли обмениваться друг с другом информацией, необходимо, чтобы они использовали одинаковые способы преобразования цифровых данных в аналоговые и обратно. Другими словами, модемы должны применять одинаковые способы модуляции и демодуляции сигналов. Для разработки стандартов передачи данных был создан специальный Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony - CCITT). Он разработал рекомендации, определяющие способы модуляции и демодуляции сигналов, алгоритм соединения модемов, протоколы коррекции ошибок, протоколы сжатия передаваемой информации и т.д. Рекомендации CCITT для модемов пронумерованы и имеют в своем обозначении префикс V.

Сети Х.25 соответствует модели ISO/OSI и называются пакетными сетями. Особенности их построения заключаются в организации верхних уровней: канального, сетевого и транспортного. На канальном уровне передача данных осуществляется с помощью протокола HDLC, разработанного в 1979 году. Структура кадра данных этого протокола приведена на рис. 42. Она включает в себя следующие элементы. Флаги. Предназначены для выделения начала и конца кадра, имеют двоичный код Адрес вторичной станции. В протоколе HDLC существует одна главная (первичная) станция и несколько подчиненных (вторичных) станций. Первичная станция несет ответственность за инициирование всех переносов данных, а также инициацию канала и управление им.

Станции в HDLC могут передавать и принимать кадры нескольких типов, которые делятся на команды и ответы. Команды передаются от первичной станции ко вторичной. Ответы представляют собой реакцию на команду и передаются в обратном направлении. В HDLC только вторичные станции идентифицируются с помощью адреса. Адрес, входящий в состав кадра, является адресом вторичной станции, участвующей в соответствующем обмене. Первичная станция передает команду с адресом той вторичной станции, которой предназначена эта команда. Вторичная станция передает ответы, содержащие ее адрес и предназначенные первичной станции данные.

Поле управления. Передаваемые кадры делятся на три типа: информационный – значение 0 в бите 1; супервизорный определяется значениями битов 1 - 4, ненумерованный определяется значениями битов 1 4 и 6 8. В байте управления информационного кадра указываются номера N(S) = 0 – 7 и N(R) = передаваемого и принимаемого кадра, в супервизорных кадрах указывается только номер N(R) принимаемого кадра. Бит 5 поля управления называется битом запроса в командах и битом окончания в ответах. Когда станция получает команду с битом запроса P = 1, она обязуется сформировать ответ с битом окончания F = 1.

Информационные кадры служат для передачи пакетов, представленных в поле данных. Супервизорные кадры используются для восстановления кадров, потерянных из за искажения информации в канале, а также для управления потоками кадров. Ненумерованные кадры предназначены для установления соединений и разъединения, завершения соответствующих режимов передачи пакетов и для передачи информации о результатах выполнения этих действий. Поле данных. Содержит передаваемый пакет данных. Поле контроля кадра. При передаче данных формируется 16 ти разрядный циклический код (CRC) для позиций 2, 3 и 4, который включается в кадр. При приеме кадра вновь вычисляется контрольный циклический код.

Если контрольные циклические коды совпадают, то принятый кадр считается корректным. В противном случае фиксируется искажение принятого кадра. При искажении флагов, разделяющих последовательно передаваемые кадры, два кадра сливаются в один искаженный кадр. Процедура формирования циклических кодов при передаче и приеме гарантирует обнаружение искажения этого типа. Протокол HDLC обеспечивает несколько способов восстановления информационных кадров. Основной способ использование тайм аута. Когда супервизорные кадры подтверждают прием информационных кадров, таймер перезапускается на величину тайм аута.

Номер N(R), полученный вторичной станцией, подтверждает прием всех кадров с номерами, меньшими N(R). Если тайм аут закончился, то вторичная станция начинает повторную передачу кадров, прием которых не подтвержден. Для повышения эффективности использования канала предусмотрена посылка отрицательных квитанций: супервизорных кадров «отказ» и «селективный отказ». Если принятый кадр искажен из-за ошибки, обнаруженной с помощью циклического суммирования, первичная станция, не дожидаясь окончания тайм аута, посылает отрицательную квитанцию «отказ», содержащую номер ожидаемого кадра N(R), и ждет поступления информационного кадра с этим номером.

При этом все поступающие кадры с большими номерами игнорируются принимающей станцией. Эффективность использования канала еще более повышается за счет селективной отбраковки. В этом случае станция, ожидающая кадр N(R) и получившая кадр N(R) + 1, принимает его и последующие кадры, извещая передающую станцию супервизорным кадром «селективный отказ» о потере кадра N(R). В ответ передающая станция повторно передает потерянный кадр. Для разъединения связи между станциями используется ненумерованный кадр с командой «разъединить», подтверждаемый ответом «подтверждение».

Рекомендации Х.25 определяют два основных вида обслуживания в сети коммутации пакетов: постоянные виртуальные каналы и коммутируемые виртуальные соединения. Для обеспечения одновременной работы многих постоянных виртуальных каналов и виртуальных соединений используются логические каналы. Каждому виртуальному соединению присваивается групповой номер логического канала (ГНЛК) и номер логического канала (НЛК). Коммутируемому виртуальному соединению ГНЛК и НЛК присваиваются в фазе установления соединения, а постоянным виртуальным каналам ГНЛК и НЛК присваиваются по соглашению с администрацией сети во время постановки на обслуживание. Формат пакета Х.25 приведен на рис. 43.

Идентификатор общего формата. Код, определяющий общий формат пакета. Групповой номер логического канала (ГНЛК). Код, определяющий групповой номер логического канала. Максимальное число групп равно 15. Номер логического канала (НЛК). Код, определяющий номер логического канала. Максимальное число каналов равно 255. Тип пакета. Идентификатор типа пакета, которые делятся на следующие классы: установление соединения и разъединение, данные и прерывание, управление потоком и сброс, рестарт. Данные или управляющая информация. Этот раздел содержит передаваемые данные или управляющую информацию, которой обмениваются взаимодействующие абоненты.

Процесс взаимодействия абонентов сети по протоколу Х.25 происходит следующим образом. Вызывающий абонент передает в сеть по свободному логическому каналу пакет «запрос соединения», содержащий адрес вызываемого абонента. Вызываемый абонент может не принять запрос на соединение. В этом случае он передает пакет «запрос разъединения», в котором, в качестве причины разъединения, может быть указано «номер занят». После этого вызываемый абонент не может использовать логический канал для получения пакета «подтверждение разъединения». Если сеть не может установить соединение с вызываемым абонентом, вызывающему абоненту посылается пакет «указание разъединения», содержащий причину разъединения: нереализуемый вызов, номер занят, неразрешенный вызов, перезагрузка сети и т.д.

Если вызываемый абонент принимает запрос на соединение, он передает пакет «согласие на соединение», после чего сеть посылает вызываемому абоненту пакет «подтверждение соединения». Этим заканчивается фаза установления соединения между абонентами. Начиная устанавливать соединение, вызывающий абонент запускает таймер. Если в течение тайм - аута не поступил пакет «подтверждение соединения», абонент передает пакет «запрос разъединения», после чего процедура установления соединения может повторяться. После установления соединения начинается фаза передачи пакетов данных. Протокол Х.25 допускает использование следующих значений длины поля данных: 16, 32, 64, 128, 256, 512, и 1024 байт. Предпочтительной является длина 128 байт.

Для ликвидации и сброса всех постоянных и временных виртуальных соединений, установленных с абонентом, используется процедура рестарта, инициируемая абонентом с помощью пакета «запрос рестарта» и сетью с помощью пакета «указание рестарта». При этом ликвидируются соединения, относящихся ко всем логическим каналам абонента, и стираются все пакеты, передаваемые через эти соединения. Для восстановления потерянных пакетов используются средства более высокого уровня иерархии. Для передачи срочных данных используются ненумерованные пакеты «прерывание от сети» и «прерывание от абонента », несущие в себе один байт данных о причине прерывания.

Эти пакеты доставляются получателю независимо от состояния передачи ненумерованных пакетов – даже тогда, когда пакеты данных не принимаются. Получение этих пакетов подтверждается соответствующими пакетами-квитанциями. При использовании однонаправленных логических каналов абонент может запросить повторную передачу пакета с помощью пакета «отказ», несущего в себе номер пакета (NCR) начиная с которого нужно провести повторную передачу. По окончании передачи постоянные виртуальные каналы закрываются и происходит их разъединение.

Сети Х.25 эффективно работают на каналах с плохим качеством передачи данных. Вместе с тем современные каналы связи (например, ВОЛС) характеризуются низким уровнем помех. С учетом этого, для высокоскоростной передачи данных в разработана новая технология – Frame Relay (FR), которая представляет собой пакетную коммутацию или кадровую ретрансляцию. Она эффективно применяется в межсетевом оборудовании, в таком как мосты и маршрутизаторы. FR предполагает относительно высокие скорости: от 64 Кбит/с до 1,544 Мбит/c. Она обрабатывает пакеты переменной длины, называемые фреймами. FR позволяет применять как постоянные, так и коммутируемые виртуальные каналы.

Формат фрейма достаточно прост и включает в себя: десятибитовое поле идентификатора соединения канала данных; трехбитовое поле управления; поля указателя данных; 16 битовое поле контрольной последовательности. Технология FR в значительной степени похожа на технологию АТМ. Основное отличие состоит в том, что в АТМ длина пакетов (ячеек) фиксирована, а в FR длина фреймов разная. В соединениях FR, как и в АТМ, мультиплексирование нескольких виртуальных каналов осуществляется на втором (канальном) уровне, а контроль ошибок и управление потоком отсутствует.