ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

2.1. СТРУКТУРА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Функции, выполняемые в сетях передачи данных

Набор и особенности реализации функций, выполняемых средствами сетей передачи данных, определяются в первую очередь используемым способом коммутации. В сетях с коммутацией канвлов и сетях с виртуальными соединениями совокупность выполнимых функций можно разделить на функции по установлению соединений и функции по передаче сообщений.

Первая труппа функций обеспечивает образование на время передачи сообщения составного физического или виртуального канала в соответствии с адресом (номером) абонента-получателя по одному из возможных маршрутов и выполняется на узлах коммутации сети (в КФС). Адресная информация вводится в узел сети абонентом, которым могут быть оператор или программа, при необходимости передачи сообщения через модуль связи с сетью (СТС или СВС). Основными функциями узла при этом являются: автоматический поиск нужного абонента по сети; выбор маршрута для передачи сообщений; проверка занятости выбранного маршрута;

реализация преимущества в предоставлении маршрута для передачи абонентам большей важности;

информирование абонентов об отсутствии свободных и исправных маршрутов к требуемому абоненту-получателю;

электрическое соединение составляющих каналов связи или логическое проключение виртуального соединения и предоставление его абоненту.

Приведенный перечень не является исчерпывающим и может дополняться различными сервисными функциями.

После составления канала и подключения к нему абонентов функции узлов коммутации заключаются в поддержании соединения и его разрушении при поступлении разрешающего сигнала от абонента или при необходимости реализовать преимущество для абонента большей важности. Все функции по передаче сообщения (согласование и повышение верности) при коммутации каналов реализуются на оконечных установках передачи данных абонентов. В сетях с виртуальными соединениями и коммутацией каналов передачи данных эти функции рассредоточены по всем модулям сети. В сетях с коммутацией пакетов в датаграммном режиме функции выполняются: при вводе сообщения в сеть; в узлах коммутации; при передаче по каналам связи; при выводе сообщения из сети.

Функции сети при вводе сообщения состоят в переводе сообщения с внешнего языка, используемого в АСУ, на внутренний язът сети, а также в его разбиении и формализации. Содержание функции формализации состоит в присвоении каждому пакету ряда служебных признаков, обеспечивающих его продвижение по сети к требуемому абоненту. Кроме этих двух функций на входе сети может обеспечиваться функция защиты сети от несанкционированного доступа.

Перечисленные функции выполняются в модулях связи терминалов и ЭВМ с сетью. На узлах сети реализуются функция по обеспечению процесса использования памяти и совокупность функций по обработке пакетов в процессоре.

Память узла коммутации задействуется в следующие моменты времени:

при поступлении пакета на узел (первоначальная запись пакета, принимаемого из канала связи);

при ожидании пакета в очереди на его обработку в процессоре;

во время обработки пакетов в процессоре;

при ожидании освобождения линии связи для передачи;

во время передачи по каналу связи;

при ожидании подтверждения о получении пакета.

Обеспечение процесса использования памяти является одной из функций программного обеспечения узлов коммутации. Кроме того, программно выполняются такие операции, как

выбор линии и канала связи для дальнейшей передачи пакета; проверка пакетов на наличие в них ошибок и обеспечение их повторной передачи;

контроль и учет прохождения пакетов по сети; размножение пакетов при многоадресной и циркулярной передаче;

обеспечение преимуществ при выборе пакетов на обработку и для передачи пакетов сообщений, имеющих большую важность или срочность.

Перечисленные функции являются основными. Полный перечень функций для конкретных вариантов сети может включать ряд дополнительных функций.

При передаче пакетов по каналам связи в сети осуществляются функции по защите от ошибок, которые возникают в каналах вследствие помех.

На выходе из сети в модулях сопряжения выполняются функции перевода информации с внутреннего языка сети на внешний язык АСУ, контроля ошибок, сшивки сообщений и защиты от несанкционированного доступа к абонентским системам.

Функциональные уровни сетей передачи данных

Совокупность функций, выполняемых программными и аппаратными средствами сетей ПД, может быть распределена на

опредеденные подмножества — функциональные уровни. Уровень каждого вида содержит установленный набор функций, не зависимых от функций других уровней.

Такое распределение позволяет разрабатывать и реализовывать логически самостоятельные алгоритмы и программы независимо друг от друга.

Совокупность уровней, не относящихся непосредственно к процессам передачи сообщений по сети, условно объединим и будем называть верхним уровнем. Верхний уровень в зависимости от элемента, на котором он реализуется, может включать различные функции, как по составу, так и по их содержанию.

В простых терминалах обычно выполняются только функции кодирования и формирования сообщений. В абонентских ЭВМ помимо прикладных программ верхний уровень включает функции генерации и интерпретации команд, с помощью которых осуществляется взаимодействие ЭВМ или операторов и ЭВМ через сеть. Кроме того, здесь же сообщения формируются и транслируются в код сети ПД, организуются и поддерживаются сеансы обмена данными.

Верхний уровень можно выделить и в ЭВМ узлов коммутации. По структуре он аналогичен верхнему уровню абонентских ЭВМ, но отличается спецификой прикладных программ. В состав этих программ обычно включаются программы управления потоками сообщений, сбора статистики и диагностики, (которые являются вспомогательными по отношению к программам, обеспечивающим процессы передачи и коммутации.

К основным функциональным уровням сети передачи данных в соответствии с последними рекомендациями можно отнести [43]:

Уровень 1 — управления физическими каналами, который включает функции, обеспечивающие установление, поддержание и расторжение соединений с дискретными каналами связи.

Уровень 2 — управления каналами передачи данных, основными функциями которого являются защита от ошибок, контроль дискретных каналов и мультиплексирование передаваемых блоков информации.

Уровень 3 — управления передачей в сети, который включает функции, обеспечивающие: приоритетное обслуживание сообщении, выбор маршрутов передачи, межузловой обмен, локальное управление потоками и различные сервисные функции.

Уровень 4 — управления передачей сообщений между верхними уровнями (транспортный уровень), включающий следующие функции: адресование сообщений (поиск места подключения требуемого абонента к сети), управление внешними потоками (ограничение нагрузки сети), контроль ошибок, потерь и задержек сочинений, обеспечение восстановления сообщений на приеме и мультиплексирование сообщений для передачи.

Правила взаимодействия двух смежных уровней получили название интерфейса (по аналогии с интерфейсом технических

средств). Соответствующие правила для взаимодействия двух одноименных уровней называются протоколами.

Содержание функциональных уровней, интерфейсов и протокол лов определяется конкретной реализацией сети и в первую очередь используемым методом коммутации. Так, при коммутации каналов на этапе установления соединения в абонентской системе могут быть задействованы только функции адресования на уровне 4 и функции по установлению соединения уровня 1, а в узле коммутации — функции уровня 1, функции маршрутизации и приоритетного обслуживания уровня 3.

На этапе передачи данных в абонентской системе может быть; опущен уровень 3, а функции уровня 1 состоят в поэлементной синхронизации принимаемой и передаваемой информации. Программное обеспечение узлов коммутации при этом не задействуется.

В сетях с виртуальными соединениями на этапе установления соединения полностью задействуются все уровни как абонентской системы, так и узлов коммутации. При передаче данных на узлах коммутации и в абонентской системе, как правило, не реализуется функция маршрутизации. В датаграммном режиме используется полный набор функций.

Рис. 2.1.

АС — абонентская система; УК — узел коммутации; ВУ — верхний уровень

Учитывая отсутствие абсолютных достоинств у виртуального и датаграммного режимов сетей передачи данных, можно предполагать, что наиболее перспективным является их совместное использование по выбору пользователя. Для датаграммно-виртуальных сетей уровневая структура и протоколы приведены на рис. 2.1 [39].

Протоколы 1—1 (дискретного канала), 2—2 (канала передачи данных) и 3—3 (тракта передачи данных) определены для любой пары смежных узлов сети и устанавливают:

(1—1) — состав цепей и порядок обмена сигналами при взаимодействии с дискретными каналами связи;

(2—2) — алгоритмы групповой синхронизации, избыточного кодирования, повышения верности и контроля дискретных каналов связи;

(3—3) — процедуры оформления пакетов для передачи по сети, межузлового обмена, регулирования по приоритетам, маршрутазации, мультиплексирования и локального управления потоками..

Протокол (4—4) устанавливает для пар абонентских систем алгоритмы контроля сквозной передачи через сеть и глобального управления внешними потоками сообщений.

Протоколы, так же как и функциональные уровни, должны; быть независимы друг от друга, что позволяет изменять любой из них, не затрагивая остальных.

Рекомендации по протоколам в сетях с коммутацией пакетов

Для больших стохастических систем с распределенными ресурсами, к которым относятся сети передачи информации АСУ, характерным является повышение эффективности с ростом масштабов системы и числа замыкающихся на нее пользователей. Исходя из этого оптимальной при соответствующей организации является единая сеть, обеспечивающая обмен информацией в интересах различных по назначению и принадлежности АСУ. Создание такой общегосударственной сети является генеральной концепцией развития передачи данных у нас в стране. В то же время практическое развитие систем телекоммуникационного доступа в силу ряда объективных причин идет по пути создания локальных и ведомственных сетей. Отсутствие общих рекомендаций и единых предпосылок, а также различие в требованиях к таким сетям зачастую приводят к использованию при проектировании несогласованных принципов и алгоритмов, что не позволяет или затрудняет их объединение.

В связи с этим наряду с рассмотрением проблем сопряжения различных существующих сетей между собой предусматривается использование определенных стандартов и рекомендаций при системном проектировании новых сетей. В части структуры функционального программного обеспечения системных протоколов ряд таких рекомендаций разработан и предложен различными международными организациями, в частности МККТТ. Для сетей передачи данных общего пользования с коммутацией пакетов основной рекомендацией (МККТТ является Х.25 [43]. Эта рекомендация определяет протоколы трех нижних уровней: дискретного канала, канала передачи данных и тракта передачи данных.

1. Для уровня дискретного канала в составе Х.25 предусмотрены Рекомендация Х.21 — сопряжение оборудования данных с абонентским оборудованием цифровых первичных сетей связи — и универсальная Рекомендация Х.21 бис — сопряжение с устройствами преобразования сигналов и абонентским оборудованием цифровых сетей. Устройства преобразования сигналов при этом могут включать схемы, обеспечивающие установление соединений в сетях с коммутацией каналов. Рекомендация Х.21 подробно описана в [32], сведения об Х.21 бис приводятся в [39].

2. Для уровня канала передачи данных Х.25 рекомендует протокол HDLC, (который устанавливает:

кодирование информации с целью избежания длинных серий нулей, что обеспечивает устойчивую поэлементную синхронизацию в дискретном канале связи;

поблочную синхронизацию с использованием префикса (флага);

кодирование блоков циклическим кодом с образующим полиномом 16-й степени для обнаружения ошибок;

алгоритм исправления ошибок с решающей обратной связью, непрерывной передачей, стиранием блоков, попавших под

блокировку, и позиционным разделением информационных и служебных элементов в блоках;

для одной — главной — абонентской системы возможность мультиплексирования обмена с 254 подчиненными абонентами по» одной линии (многоточечной или кольцевой);

передачу информации о состоянии процессов на более высоком уровне;

обмен командами, определяющими подчиненность, подключение и отключение и информирующими о сбоях форматов и алгоритма обмена.

Подробно детали протокола HDLC изложены в [32].

3. Для уровня трактов передачи данных в настоящее время определена Рекомендация Х.25 — протокол виртуально-датаграммной сети. Этот протокол определяет процедуры, связанные с организацией и использованием виртуальных соединений и передачей датаграмм.

Виртуальные соединения могут быть постоянными или временными. В последнем случае протокол реализуется в виде последовательности следующих фаз: организации виртуального соединения, передачи данных, разъединения. На отдельных фазах используются различные типы пакетов, отличающиеся по своей структуре и содержанию служебных полей.

Фаза установления виртуального соединения начинается с посылки специального пакета ЗАПРОС ВЫЗОВА, который, проходя по сети аналогично датаграмме, отмечает маршрут для виртуального соединения. Этот пакет может переносить кроме адресной информации первую порцию данных и требования на дополнительные услуги [60].

После установки виртуального соединения начинается фаза передачи данных, на которой используются пакеты ДАННЫЕ и ПРЕРЫВАНИЕ. Рекомендация Х.25 предусматривает контроль доставки пакетов по виртуальным каналам. С этой целью в каждый пакет ДАННЫЕ включается собственный номер пакета и квитанция о номере последнего принятого пакета. Номера меняются циклически.

Наличие у передающей станции номера последнего заквитированного пакета позволяет осуществлять управление числом неподтвержденных пакетов, которые могут быть одновременно в виртуальном соединении. Эта величина может назначаться централизованно либо во время посылки вызова. Если данные передаются только в одном направлении, то для передачи квитанций предусмотрен специальный вид пакета ГОТОВ К ПРИЕМУ, содержащий только номер принятого последним пакета данных.

Служебная информация между пользователями может передаваться либо в составе общих пакетов виртуального соединения, либо с помощью специального пакета ПРЕРЫВАНИЕ, который передается как датаграмма, имеющая более высокий приоритет по отношению к пакетам ДАННЫЕ. Пакет ПРЕРЫВАНИЕ содержит информацию только о причине прерывания. При обнаружении

сбоя из-за нарушения порядка в передаче последовательности пакетов, ошибок в процедурах управления или переполнения сети обнаруживший его абонент и корреспондент обмениваются специальными пакетами, инициирующими сброс всех пакетов, находящихся и виртуальном соединении. Одновременно обнуляются счетчики передачи и повторяются все пакеты, по которым не получено квитанций. Если сбой вызван ошибками в процедурах более высокого уровня, команда на повторную передачу может выдаваться соответствующей процедурой.

Фаза разъединения предназначена для снятия виртуального соединения при окончании передачи данных, отказе в установлении этого соединения и различных сбоях. При этом инициатор формирует и передает корреспонденту пакет с запросом о разъединении, по которому последний переходит в исходное состояние и выдает ответ. Абонент-инициатор устанавливается в исходное состояние только после получения ответа. В запросе может содержаться информация о причине разъединения.

Протокол Х.25 предусматривает некоторые дополнительные услуги для абонентов сети: приоритеты на установление виртуальных соединений, возможность выбора допустимого числа незаквитированных сообщений, разграничение доступа и др. В датаграммном режиме предусматривается использование двух видов пакетов: один для передачи данных от абонентов, другой — для передачи между узлами коммутации служебной сетевой информации и квитирования доставки основных пакетов. Набор различных услуг для абонентов в этом режиме расширяется и включает: приоритетное обслуживание сообщений, многоадресные передачи, задержанную доставку и дополнительную защиту.

В целом протокол Х.25 обладает достаточно широкими возможностями, что определяет перспективность его применения в сетях передачи данных общего пользования.