Базовые сетевые технологии

    Рисунок 2.7 Формат кадра proNET-10. Поля не масштабированы.  

    Каждый  кадр начинается с поля начала сообщения, за которым следует два октета адресов отправителя и получателя. Поле типа кадра состоит из 3 октетов, но только первый сейчас используется; остальные два должны быть равны 0. Вслед за данными идет поле Конец Сообщения, один бит четности и бит отказа. Сразу за концом кадра может следовать другой кадр или маркер. Заметим, что как и Ethernet, proNET-10 является самоидентифицирующимся. В отличие от Ethernetа, который использует сложную 32-битовую ЦКС для поиска ошибок передачи, proNET-10 использует только один бит четности. Чтобы понять, почему нужен только один бит, вспомним, что proNET-10 - это технология ЛВС с маленькими паузами при распространении. Поэтому, отправитель принимает копию кадра во время передачи и может просто сравнить биты в копии и передаваемые биты, чтобы обнаружить изменения. Фактически бит четности не нужен, за исключением проверки бита отказа.  

    Оборудование  использует флаг, состоящий из семи единиц, чтобы не спутать такие  поля, как конец сообщения, и данные пользователя. Маркер и начало кадра  также начинаются с флага. Всякий раз, когда семь последовательных единиц встречаются в данных пользователя, оборудование модифицирует последовательность бит так, чтобы быт уверенным, что получатель отличит ее от флага. Получатель убирает эту модификацию, чтобы были приняты те же самые данные, которые были посланы.  
 

    2.5.3 Восстановление маркера  proNET-10. 

    Так как передача маркера полагается на то, что все компьютеры передают маркер другой машине, когда закончат передачу, авария на одном узле может  остановить все кольцо. Предположим, например, что сбой или электрические помехи разрушили маркер. Если в кольцо не встроен механизм восстановления, вся передача будет прекращена. Для восстановления маркера при его потере на каждой станции proNET-10 запущены два таймера. Один таймер, называемый таймером флага, сбрасывается всякий раз, когда станция обнаруживает какую-либо передачу в кольце(т.е. кадр или маркер), а другой, называемый таймером маркера, сбрасывается всякий раз, когда появляется маркер. Если какой-либо из таймеров обнулился, когда станции нужно послать пакет, станция переходит в режим восстановления и в результате генерирует новый маркер для кольца. Дело в том, что в неработающем кольце маркер циркулирует постоянно. Поэтому таймер флага обнуляется быстро(после 3 мс), если в кольце не работает ни одна машина. Таймер маркера должен допускать передачу больших пакетов другими станциями, может быть даже всеми 255 станциями., поэтому он имеет гораздо большее время обнуления(400 мс). Кольцевые технологии, которые допускают большее число станций или более длинные пакеты, используют большее время обнуления(например, proNET-80 использует 700 мс). Обычно, первая станция, которая входит в режим восстановления, подразумевает, что она владеет маркером и передает пакет. Вслед за передачей пакета она передает маркер, как будто ничего не произошло. При передаче станция следит за кольцом, чтобы проверить полноту циркуляции пакета в кольце. Если пакет прошел кольцо без ошибок, то кольцо восстановлено и все начинает работать в обычном режиме. Если вдруг получится так(хотя это и маловероятно), что две станции одновременно попытаются передавать после разрыва кольца, они обнаружат ошибку, так как передаваемые ими пакеты не вернутся им обратно. Эти две станции подождут случайное время, а затем повторят попытку. Для гарантии, что они не будут ждать одинаковое количество времени, каждая станция использует время задержки, пропорциональное ее аппаратному адресу. Поэтому, если две станции начнут одновременно передавать пакеты, то только одна добьется успеха. Алгоритм восстановления как эффективен, так и надежен. Он гарантирует, что за несколько проходов кольца одна из станций примет решение, что она владеет маркером, а все остальные станции согласятся с этим.  

    2.5.4 Звездообразное кольцо proNET-10 

    На  практике в большей части установок  сети proNET-10 конфигурируются в виде звездообразных колец для повышения  надежности. Идея состоит в том, чтобы  использовать пассивный кабельный  центр как концентратор(hub) в физической звездообразной топологии , несмотря на то что сеть логически работает как кольцо. Рисунок 2.8 иллюстрирует такое соединение.

                                           реле для ЭВМ 1

        кабельный центр     -------------  /

                            | интерфейс | /

                  \         | для ЭВМ 1 |/

                   \        ------A-----/

                    \             |    /

                     \ ===========|===/========

                       |        --V--/        |

                       |   -----|R1 |<----| | | | | | | интерфейс  | | V-- | | интерфейс | | для ЭВМ 2 |<--->|R2 |          |R4 |<--->| для ЭВМ 4 |

       -------------   | -----          ----- |   -------------

                       |   |    -----     A   |

                       |   |--->|R3 |-----|   |

                       |        -----         |

                       ========================  

    Рисунок 2.8 Соединение трех ЭВМ через пассивный  кабельный центр. Так как она  не потребляет энергии, реле R3 просто передает через себя сигналы. Логически сеть является кольцом; физически - это звезда.  

    На  этом рисунке реле R3 не потребляет энергии, так как оно подключено к ЭВМ. R3 замыкает кольцо и соединяет R2 с R4. Так как другие реле потребляют энергию, они соединяют соответствующие  ЭВМ с кольцом. Поэтому электрический  сигнал, посланный с ЭВМ 4 передается через реле R4 к реле R1, затем к интерфейсу ЭВМ 1 , обратно на реле R1, по реле R2 и так далее.  

    Этот  кабельный центр не имеет активных компонент, но использует чувствительные реле, получающие питание по соединению с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает небольшой постоянный ток для питания реле, а также сигналы, кодирующие данные, по одному многожильному кабелю. Электроника в кабельном центре отделяет переменный ток от постоянного. Пока машина включена, реле в кабельном центре делает ее присоединенной к кольцу. При отключении машины ток перестает течь в кабельный центр и соответствующее реле изменяет свое состояние, отсоединяя свою ЭВМ и соединяя другие машины в кольце. Поэтому сеть продолжает работать, даже если некоторые из присоединенных машин отключены(конечно, авария машины может остановить сеть на несколько миллисекунд, пока оставшиеся узлы восстанавливают маркер). Помимо надежности, данный производитель разработал интерфейс proNET-10 состоящим из двух плат, контроллера, который может работать в режиме копирования и восстановления маркера без помощи ЦП, и интерфейса с компьютером, который полагается на ЦП при чтении и записи пакетов. Использование этих двух плат изолирует остальную сеть от сбоев операционной системы на данной машине.  

    2.6 Технология ARPANET 

    Одна  из самых старых глобальных сетей  с коммутацией пакетов, ARPANET, была создана агентством DARPA в то время, когда это агентство еще называлось ARPA. DARPA заключило контракт на разработку программного обеспечения с фирмой Bolt, Beranek and Newman из Кембриджа, штат Массачусетс в конце 1968 года. К сентябрю 1969 года уже были готовы отдельные части ARPANET. ARPANET служила испытательным полигоном для большинства из разработок в области коммутации пакетов. Помимо использования ее для сетевых исследований, исследователи из нескольких университетов, военных баз, и правительственных лабораторий регулярно использовали ARPANET для обмена файлами и электронной почтой и для обеспечения удаленного доступа к их компьютерам. В 1975 году управление этой сетью было передано от DARPA к Оборонному Коммуникационному Агентству США(DCA). DCA сделало ARPANET частью DDN, программы, в которой группы сетей выступала как часть всемирной коммуникационной системы для МО.  

    В 1983 МО разделило ARPANET на две связанные  сети, оставив ARPANET для экспериментальных исследований и образовав MILNET для военного пользования. Функции MILNET были ограничены передачей данных категории UNCLASSIFIED. Хотя в нормальных условиях, как ARPANET, так и MILNET могли передавать траффик друг друга, управление ими было организовано так, что позволяло разъединить одну сеть от другой(Самый известный случай разъединения произошел в ноябре 1988 года, когда вирус Морриса атаковал Интернет и стал быстро размножаться). Так как ARPANET и MILNET использовали одинаковую аппаратную технологию, наше описание технических деталей применимо к обеим сетям, хотя мы в основном ссылаемся на ARPANET. Фактически эта технология является коммерчески доступной и использовалась несколькими корпорациями для создания своих частных сетей коммутации пакетов.  

    Так как ARPANET уже существовала и ежедневно  использовалась многими из исследователей, разрабатывавших архитектуру Интернета, она оказывала большое влияние  на их работу. Они пришли к мысли  использовать ARPANET как глобальную магистральную сеть, на основе которой можно было бы создать Интернет. Влияние идеологии одной, центральной глобальной магистральной сети все еще ощущается в некоторых из протоколов Интернета, которые мы рассмотрим позже, и привело к тому, что добавление к Интернету дополнительных магистральных сетей является непростой задачей.  

    Физически ARPANET состоит из приблизительно 50 миникомпьютеров  С30 и С300 корпорации BBN, называемых узлами коммутации пакетов(PSN)(PSN раньше назывались Интерфейсными Процессорами Сообщений, или IMP), разбросанных по континентальной части США и западной Европе(MILNET имеет приблизительно 160 PSN, включая 34 в Европе и 18 в Тихом Океане и на Дальнем Востоке). В каждом из мест, участвующем в работе сети, располагается один PSN, который предназначен для коммутации пакетов; он не может быть использован для других целей. На самом деле, все PSNы считаются частью ARPANET и управляются Центром Сетевых Операций(NOC), размещенным на фирме BBN в Кембридже, штат Массачусетс.  

    Линии данных точка-точка, арендованные у фирм, предоставляющих глобальные линии связи, соединяют вместе PSN, образуя из них сеть. Например, арендованная линия связи соединяет PSN, находящийся в университете Пурдью, с PSN в Карнеги-Меллоне и с PSN в университете Висконсина. Вначале большинство из выделенных линий в ARPANET работало со скоростью 56 Кбит/с, скоростью, которая считалась очень большой в 1968 году, но оказалась медленной по современным меркам. Напомним, что следует представлять себе скорость как меру пропускной способности, а не время, нужное для доставки пакетов. Чем больше компьютеров использовало ARPANET, тем большей делали пропускную способность, чтобы приспособиться к этой загрузке. Например, в последний год существования ARPANET многие из линий работали со скоростью свыше мегабита.  

    Принцип дублирования применяется во всех военных  системах, так как важна надежность системы. При создании ARPANET DARPA решило следовать военным требованиям  надежности, поэтому они потребовали, чтобы каждый PSN имел по меньшей мере две выделенных линии для связи с другими PSN, и чтобы программное обеспечение автоматически адаптировалось к сбоям и выбирало другие пути. В результате ARPANET продолжает работать, даже если один из каналов вышел из строя.  

    Помимо  соединения с выделенными линиями, каждый PSN ARPANET имеет до 22 портов, соединяющих его с компьютерами пользователей, называемых хостами(host). Первоначально все компьютеры, которым требовался доступ к ARPANETу, присоединялись напрямую к одному из портов PSN. Обычно прямые соединения осуществлялись с помощью специальной интерфейсной платы, которую соединяли с шиной ввода-вывода компьютера и присоединяли к порту хоста в PSN. При правильном программировании этот интерфейс позволял компьютеру контактировать с PSN для посылки и приема пакетов.  

    Старое  оборудование порта PSN использовало сложный  протокол для передачи данных по ARPANET. Известный как 1822, по номеру технического отчета, в котором он был описан, этот протокол выжил и все еще  используется в портах PSN в MILNET. В  общем, 1822 позволяет хосту послать пакет по ARPANET к указанному PSN и к указанному порту этого PSN. Процесс передачи является довольно сложным, так как 1822 предоставляет надежную доставку с управлением потоком. Чтобы предотвратить перегрузку сети каким-либо хостом, 1822 ограничивает число одновременно передаваемых пакетов. Чтобы гарантировать, что каждый пакет достигает получателя, 1822 заставляет отправителя ждать сигнала ГОТОВ К СЛЕДУЮЩЕМУ СООБЩЕНИЮ(RFNM) от PSN перед передачей каждого пакета. RFNM выступает здесь в качестве подтверждения. Он включает схему резервирования буферов, которая требует от отправителя резервирования буфера в PSN получателя перед посылкой пакета.  

    Хотя  есть многие части 1822, которые мы здесь  не рассматриваем, главным, что нужно  понимать, является тот факт, что по существу ARPANET - это просто механизм передачи. Когда компьютер, присоединенный к одному порту, посылает пакет другому порту, доставляются только те данные, которые были переданы. Так как ARPANET не доставляет сетевого заголовка, пакет, передаваемый по ней, не имеет специального поля для указания типа пакета. Поэтому, в отличие от других сетевых технологий, ARPANET не доставляет самоидентифицирующиеся пакеты. В результате получается, что:  

    ARPANET не понимает содержимое пакетов, которые передаются по ней; согласование форматов и содержимого пакетов происходит между машинами, присоединенными к ARPANET, при их передаче или получении на конкретных портах PSN.  

    К сожалению, 1822 так и не стал промышленным стандартом. Так как лишь несколько производителей делали интерфейсные платы для 1822, стало трудно присоединять новые машины к ARPANET. Чтобы решить эту проблему, DARPA разработало новый интерфейс PSN, который использует международный стандарт передачи данных, известный как X.25(он был так назван по имени комитета по стандартизации, разработавшего его). Первая версия реализации PSN с X.25 использовала только часть передачи данных стандарта X.25(известную как HDLC/LAPB), но более поздние версии использовали весь X.25 при соединении с PSN(т.е. ARPANET стал выглядеть как сеть X.25). Многие порты MILNET теперь используют X.25.  

    Внутри, естественно, ARPANET использовала свой собственный  набор протоколов, которые невидимы пользователям. Например, существовал  один специальный протокол, который позволял PSN запрашивать состояние других PSN, другой протокол, который PSN использовали для посылки пакетов между собой, и еще один протокол, позволявший PSN обмениваться информацией о состоянии каналов и оптимальных маршрутах.  

    Так как ARPANET изначально был создан как автономная, независимая сеть, используемая для исследований, ее протоколы и структура адресов были разработаны без учета возможных расширений. В середине 1970х стало ясно, что одна сеть не в состоянии решить все коммуникационные проблемы, и DARPA начало исследовать сетевые технологии, использующие спутники и пакетные радиосети. Опыт, полученный при работе со всеми этими сетевыми технологиями, лёг в основу концепции межсетевого обмена.  

    На  сегодняшний день ARPANET тихо исчез  и был заменен новыми технологиями. MILNET продолжает оставаться магистральной сетью военной части объединенного Интернета. Центр Управления MILNET, находящийся возле Вашингтона, следит за траффиком 24 часа в сутки, обнаруживает поломки в оборудовании и линиях связи и координирует установку нового программного обеспечения на PSN. DARPA принимает участие в FNC для финансирования разработок и экспериментов, которые помогут в создании Национальной Исследовательской и Образовательной Сети. План создания NREN включает создание финансируемого DARPA Оборонного Исследовательского Интернета(DRI) и обещание предоставить часть из вновь созданной пропускной способности исследователям из Национального Центра Сетевых Экспериментов(testbed) - NNT.