МЕРЕЖІ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

Коли виникла задача створення мереж передачі даних для ЕОМ, природним, перш за все, було звернення до сторічного досвіду роботи з телеграфними мережами. Так, досвід роботи з телеграфними мережами з проміжним накопиченням (Переприймання телеграм з перенесенням перфострічки) став у нагоді при створенні мереж передачі даних з комутацією повідомлень, а з мережами абонентського телеграфу (телекса) - для створення мереж передачі даних з комутацією каналів. Важливу роль у розвитку мереж передачі даних відіграв науково-технічний прогрес. Він дозволив протягом порівняно невеликого періоду часу (кілька десятиліть) перейти від паперових перфострічки і перфокарт до магнітних стрічок, а потім до магнітних дисків, напівпровідниковим і оптичним запам'ятовуючим пристроям.

Одночасно величезний стрибок стався в техніці захисту передачі від перешкод. Від простих способів виявлення помилок шляхом перевірки перфострічки на парність числа пробитих в ній отворів вдалося перейти до високонадійним кодами не тільки виявляє, але і виправляти помилки. Найголовніше ж, була створена мікроелектронна база. Вона дозволила зробити складну апаратуру компактною і економічною по витраті електроенергії. Все це відкрило можливості побудови технічних засобів передачі з величезною швидкістю і ознаменувало настання нової епохи розвитку документального зв'язку.

Від перших систем передачі даних до системи Х.25
Загальна структура системи передачі даних показана на рис. 1. Вона включає канал передачі даних, на кожному кінці якого знаходяться лінійне пристрій передачі даних (ЛУПД) і кінцевий пристрій передачі даних (ОУПД). В офіційному виданні рекомендацій колишнього МККТТ англійською мовою прийняті назви Data Circuit terminating Equipment (DCE) і Data Terminal Equipment (DTE). У російському перекладі згаданого документа використані терміни: апаратура закінчення каналу даних (АКД) і кінцеве обладнання даних (ООД), які представляються не зовсім вдалими з точки зору традицій російськомовної науково-технічної термінології.

Саме тому автор віддає перевагу більш зрозумілі назви, наведені в тексті. Необхідність введення таких понять пояснюється розширенням номенклатури абонентських пристроїв, суттєво ускладнюють завдання їх узгодження з лінією зв'язку.

Телетайп і інші термінали з клавіатурою, забезпечені пристроями відображення або не мають таких, системи дистанційного введення завдань з пристроями зчитування, які друкують пристрої та сканери, автоматизовані лабораторні установки з різними фізичними датчиками, персональні або будь-які інші ЕОМ з різноманітними периферійними пристроями - всі вони охоплюються поняттям ОУПД за умови, що включені для роботи в мережу зв'язку.

Завданням ЛУПД є також перетворення сигналів. Якщо канал передачі даних аналоговий, то дані від терміналу надходять на модем (модулятор-демодулятор). Якщо ж канал передачі даних є цифровим, то двійкові дані перетворюються в стандартну форму збалансованого коду для передачі по лінії сигналами, що не містять складовою постійного струму. Інший функцією ЛУПД є виконання спільно з ОУПД процедур встановлення, підтримки та припинення з'єднань між передавачем і прийомним кінцями.

Канал передачі даних - це будь-яка передавальна середу. За способом його роботи розрізняють симплексних, напівдуплексному і дуплексну зв'язок (рис. 2). При симплексного зв'язку, що на рис. 2, а, дані завжди переміщуються в одному напрямку, як показано суцільними лініями. При цьому не виключається можливість передачі в протилежному напрямку підтверджень з боку приймального кінця, які показані штриховими лініями.

При напівдуплексному зв'язку (рис. 2, б) дані передаються в обох напрямках, але поперемінно. Термін "напівдуплексному зв'язок", що означає поперемінне застосування симплексного зв'язку то в одному, то в іншому напрямку, не застосовувався в техніці зв'язку до його введення фахівцями з обчислювальної технiки.

При дуплексної зв'язку, як показано на рис. 2, в, дані передаються в обох напрямах одночасно. При цьому як при напівдуплексному, так і при дуплексної зв'язку також передаються підтвердження, показані штриховими лініями. Фізично для симплексного або напівдуплексному роботи повинна використовуватися або одна пара проводів, по якій сигнали передаються в обох напрямках, або дві пари проводів, по кожній з яких сигнали передаються в одному напрямку. Перший спосіб застосовується, коли в тракті немає підсилювачів, і називається двопровідним з'єднанням. Другий спосіб застосовується при наявності підсилювачів і називається чотирипровідних з'єднанням. Дуплексна робота вимагає чьотирьох з'єднання.

Якщо робота передавального і приймального кінців тракту передачі даних повністю узгоджена в часі, то на приймальному кінці кожен переданий символ може бути виділено. В іншому випадку символи виділяються за допомогою спеціальних розділових знаків: стартового (пропуск) і стоповою (посилки). Перший спосіб називається синхронної передачею, другий - асинхронної. У терміналах передачі даних зі швидкістю до 1,2 кбіт/с, як і в телетайпу, застосовують асинхронну передачу. У терміналах ж зі швидкістю передачі 2,4 кбіт/с і вище застосовується синхронна передача.

Широке застосування систем передачі даних почалося в 1960-х рр.. як по телефонних мереж загального користування, так і по спеціалізованих мереж. Головні недоліки систем передачі даних через телефонні мережі полягають у тому, що для таких систем потрібні модеми, а час встановлення з'єднання становить щонайменше 15 с, а зазвичай - значно більше. Крім цього, якість передачі в цьому випадку залежить від характеристик телефонних каналів. Вони можуть змінюватися від з'єднання до з'єднання і зазнавати впливу перешкод, у Зокрема, від роботи комутаційних приладів на телефонних станціях електромеханічних систем. Деяке поліпшення якості передачі може бути досягнуто при використанні орендованих телефонних ліній, але для них також потрібні модеми. За виграш ж можливого поліпшення якості передачі доводиться розплачуватися турботами про скорочення простоїв ліній. У ході таких турбот у багатьох країнах розроблялися і застосовувалися схеми колективного використання орендованих ліній шляхом формування груп абонентів, підключення терміналів у різних точках траси абонентської лінії, мультиплексування, застосування інших методів.

Одночасно велося створення спеціалізованих мереж. При цьому були випробувані різні структури схем і різні методи комутації. Серед найбільш поширених структур зустрічаються вузлові (Зіркоподібні), кільцеві, повно, а також схеми типу шини. Для більш складних структур, які можуть включати як складових частин перераховані схеми, необхідно застосування вузлів комутації. На підставі аналізу ефективності різних методів передачі даних на початку 1970-х рр.. були визначені області пріоритетним застосування різних систем передачі. Вони показані на графіку рис. 3. Як видно з графіка, вибір кращий спосіб передачі залежить як від загального обсягу передачі (навантаження), так і від середньої довжини переданих повідомлень. Наприклад, застосування комутованої телефонної мережі виправдана лише при невеликих навантаженнях. При помірних ж навантаженнях, але не дуже довгих повідомленнях, переважно мережу з пакетною комутацією. Саме тому в багатьох країнах світу створені спеціалізовані мережі передачі даних загального користування з комутацією пакетів. Технічні засоби для таких мереж швидко вдосконалювалися. У 1976 р. МККТТ була прийнята рекомендація Х.25. У 1980 і 1984 рр.. вона переробили. Рекомендація Х.25 стосується з'єднання терміналів передачі даних, ЕОМ та інших призначених для користувача систем з мережами передачі даних і описує протоколи взаємодії різних пристроїв. Протокол Х.25 організований за трирівневої системи (про загальні принципи організації багаторівневих систем передачі та обробки інформації див. статтю автора "Про єдиної концепції інформаційного забезпечення перевезень "," Залізничний транспорт ", 1992, № 7, стор 23-27).

На нижньому (фізичному) рівні встановлюються стандарти на механічні з'єднувачі і електричні характеристики ліній зв'язку, на що передаються по ним цифрові сигнали, включаючи сигнали заняття лінії і її звільнення. Ці стандарти описані в рекомендації Х.21 та за браком місця тут не розглядаються. На другому (канальному) рівні визначаються вимоги до засобів передачі інформації по ділянці цифрового каналу між двома сусідніми вузлами у вигляді блоків даних, званих кадрами.

При цьому передбачається можливість виявлення помилок у кадрі і їх виправлення після автоматичного переопроса і повторної передачі спотвореного кадру. Зазначені функції визначаються стосовно до всього цифровому потоку, передається по даній дільниці, і не залежать від того, яким користувачам і за якими адресами передаються окремі повідомлення, що входять в загальний потік.

На третьому (мережному) рівні визначаються вимоги до системи передачі інформації у вигляді блоків даних, які називаються пакетами. Крім корисної інформації, пакети несуть керуючу інформацію про адреси відправника та одержувача, порядкову нумерацію і деякі інші службові дані. Описане поділ функцій дозволяє в одному фізичному цифровому каналі створити велике число логічних (так званих віртуальних) каналів. Вони одночасно працюють між різними користувачами, які можуть знаходитися в одному або різних пунктах.

Перед тим як перейти до розгляду особливостей другого і третього рівнів мережі Х.25, уточнимо деякі поняття. Будемо називати блоком даних довільний набір символів, призначених для передачі по каналу зв'язку. Залежно від складу (формату) блоку, а також його призначення в конкретних випадках блокам можуть бути присвоєні різні назви. Наприклад, блок даних, переданих по СПД загальноканальної телефонної сигналізації № 7, називають сигнальної одиницею. У цієї статті розглядаються блоки даних, звані кадрами і пакетами, а в наступній розмові, присвяченій технології АТМ, будуть розглядатися блоки даних, що називаються осередками. Необхідність такого уточнення викликана тим, що в літературі часто можна зустріти термін "пакет" стосовно до будь-якого блоку даних, у тому числі такого, який з точки зору рекомендації Х.25 пакетом не є. Саме тому читачеві, який зустріне термін "пакет", можна лише порекомендувати в кожному конкретному випадку уважно розбиратися з тим, який саме блок даних мається на увазі.

Рівень каналу
Каналом зв'язку називається сукупність технічних засобів для передачі повідомлень від відправника до одержувача з використанням середовища передачі. У контексті ж цієї статті канал зв'язку розглядається по окремих дільницях, що зв'язує сусідні пункти обробки переданих повідомлень. Відповідно і термін "рівень каналу" відноситься до окремого ділянці каналу. В оригіналах стандарту на англійській мові застосовується термін Link Layer, тобто рівень (або "шар") ланки. Такий термін можна іноді зустріти і в перекладах міжнародних документів на російську мову. Може бути остання назва є більш точним, проте воно не зрозуміло, тому що слово "ланка" має в російській мові дуже багато значень і воно ніколи не застосовувалося до ділянки каналу зв'язку. Саме тому краще говорити "рівень каналу ", але із застереженням про те, що мова йде лише про окремій ділянці каналу.

У описуваному стандарті, який підтверджений кількома міжнародними та національними організаціями і фактично визнаний в усьому світі, розглядається управління каналом зв'язку по ділянках за допомогою протоколу високого рівня (по-англійськи HDLC - High-level Data Link Control). Російським еквівалентом терміна HDLC може служити скорочення ВУК (високорівневе управління каналом). Обслуговуваний протокол розрахований на широке коло застосувань, у тому числі і в локальних мережах для зв'язку цілої групи абонентських пунктів. Ми ж обмежимося тут лише розглядом цього протоколу на прикладі однієї версії, а саме: версії зв'язку двох рівноправних пунктів LAPB (Link Access Procedures Balanced, тобто процедур збалансованого доступу до каналу).

Протокол ВУК управляє передачею інформації у вигляді стандартних блоків, що надходять від мережевого рівня, яких називають пакетами. На рівні каналу до кожному пакету додається заголовок, звичайно містить 48 двійкових розрядів. Пакет з цим додатковим заголовком називається кадром. Термін "заголовок" носить умовний характер, тому що частина його розрядів поміщається в голові кадру, а інша частина (перевірочне поле для виявлення помилок) - у його хвості. Коди, що виправляють помилки, вимагають внесення занадто великий надмірності і тому в звичайних мережах передачі даних не застосовуються. Замість цього використовуються коди, що виявляють помилки. При виявленні помилки надсилається автоматичний запит на повторну передачу кадру, а прийнятий помилковий кадр скидається. Довжина кадру (отже, пакету) не регламентується, тому що оптимальна довжина пакету залежить від імовірності помилки в каналі. З точки зору накладних витрат, пов'язаних з передачею службових розрядів заголовка, довжину пакету краще зробити якомога більше, щоб знизити відсоток вмісту службової інформації. При цьому, якщо ймовірність помилки невелика, запити на повторення передачі будуть рідкісні, система буде працювати ефективно. Якщо ж ймовірність помилки буде великою, повторна передача буде потрібно частіше. Тоді велика частина накладних витрат доведеться не на заголовки, а на часті повторні передачі. Саме тому вибір довжини пакета (отже, кадри) надається користувачеві. Для виявлення ж початку і кінця кадру в безперервному потоці цифрової передачі використовуються спеціальні кодові комбінації виду 01111110, звані прапорами (рис. 4, на якому показано формат кадру).

Застосування прапорів вносить певні труднощі у вирішення завдання забезпечення прозорості цифрової передачі, тобто її незалежності від характеру переданих послідовностей. Дійсно, якщо в переданому потоці корисної інформації зустрінеться послідовність з шести одиниць, то вона буде прийнята за кордон між кадрами. Це викличе порушення роботи каналу. Щоб уникнути подібних збоїв у всіх випадках, коли в переданої послідовності зустрічаються п'ять "1", то після них автоматично вставляються "0". На приймальному ж кінці після прийнятих п'яти "1" наступний за ними "0" завжди скидається. Таке технічне рішення дозволяє гарантувати прозорість цифрової передачі. Розглядаючи рис. 4, неважко виявити призначення всіх 48 службових розрядів заголовка кадру.

Особливий інтерес представляють 8 керуючих розрядів, які розгорнуті на рис. 5. Як видно, структура керуючих розрядів визначає тип кадру. Справа в тому, що, крім звичайних інформаційних кадрів, що служать для передачі повідомлень за встановленим каналу, протокол ВУК передбачає ще ряд службових. Вони не містять інформаційного поля, а служать для цілей управління процесами встановлення каналу, його закриття, а також виконання численних інших допоміжних функцій. Інформаційний кадр І відрізняється від службових наявністю "0" в першому розряді керуючого поля. "1" на цій позиції говорить про те, що кадр є службовим. За другого розряду службові діляться на кадри типів К (контроль і управління) та Н (ненумерований кадр). Усього існують чотири різні кадру типу К (готовність прийому, неготовність прийому, відмова і вибірковий відмову). Для їх розпізнавання служать третій і четвертий розряди, позначені буквою S. Ненумерованих кадри, яких всього 32, служать для виконання різноманітних службових функцій. Для розпізнавання типу ненумерованого кадру служать 5 розрядів, позначених літерою М. Крім цього, на мал. 5 прийняті позначення: N (S)- Порядковий номер переданого кадри; N (R) - порядковий номер очікуваного кадру; P/F (опитування/кінець) - службовий сигнал управління режимом передачі. Порядковий номер N (R) підтверджує прийом кадру номер N (R) - 1 і всіх йому передують. Таким чином, при дуплексної передачі (див. рис. 2, в) немає необхідності в передачі спеціальних підтверджують кадрів. Це пояснюється тим, що підтвердження про прийом кадрів можуть завантажувати в інформаційні кадри зустрічної передачі.

Як видно з викладеного, описане поле нумерації кадрів дозволяє вести рахунок тільки до восьми (три двійкових розряду). Отже, при наявності семи непідтверджених кадрів передача повинна бути припинена. Саме тому, наприклад, у системах супутникового зв'язку, коли в дорозі можуть знаходитися більше семи кадрів, поле їх нумерації може бути розширено до 7 розрядів і, отже, рахунок збільшено до 128. Аналогічним чином стандарт допускає збільшення поля адрес і перевірочної послідовності.

Протокол передбачає різні процедури передачі на рівні каналу. Найбільшого поширення набула так звана процедура передачі з поверненням на N кадрів (N <8 - для наземної і N <128 - для супутникової зв'язку). Вона передбачає повторну передачу всіх кадрів, починаючи з того, на який не отримано підтвердження. Інша процедура - вибіркове повторення. Вона не вимагає повторення правильно прийнятих кадрів після непідтвердженого кадру. Відзначу, що її реалізація пов'язана з деякими труднощами обробки прийнятої інформації в накопичувачах.

Рівень мережі

Головними завданнями рівня мережі є вибір маршрутів передачі пакетів і управління потоками переданих пакетів по кожному вибраному маршруту. За термінології Х.25 рівень мережі називається рівнем пакетів. Рекомендація Х.25 НЕ дає повного вирішення зазначених завдань, оскільки протокол Х.25 є лише специфікацією мережевого сполучення. Подробиці, що стосуються з'єднань пристроїв ЛУПД по зв'язує мережі, залишені на розсуд адміністрації мережі. Проте організація мережного рівня багато в чому залежить від вимог, закладених у рекомендаціях Х.25. Протокол Х.25 орієнтований на з'єднання у вигляді віртуальних каналів. Зв'язківці іноді сприймають цей термін, що зародився в середовищі фахівців з обчислювальної техніки, з певною недовірою. Вони не завжди до кінця розуміють його сенс, навіть якщо їм пропонують синоніми - логічний або уявний канал. Таким зв'язківцям можна лише нагадати, що вони (або їх колеги) фактично вже понад чверть століття експлуатують пучки віртуальних телефонних каналів у трансокеанських кабелях по відомій системі TASI (Time Assignement Speech Interpolation, тобто інтерполяції мови по послугах, що її відрізкам).

Використання чотирипровідних міжміських телефонних каналів, як правило, не перевищує 40-50%, тому що велику частину часу говорить лише одна з співрозмовників. Якщо ж встановити Виявителі мови і надавати канали в кожному напрямку тільки для передачі реально фіксується мови, супроводжуючи таку передачу адресою, то можна, наприклад, по пучку з 100 каналів передати 200 розмов. При цьому кожна з 200 розмовляють пар фактично одержує канал зв'язку, хоча фізичних каналів в кабелі тільки 100.

Канал ж, на якому говорять абоненти, є логічним або віртуальним. Він підтримується логічними пристроями апаратури зв'язку і тому не обов'язково повинен бути постійно прив'язаний до конкретного фізичного каналу. Розглянутий приклад віртуального каналу не пояснює усіх принципів його організації в мережах передачі даних. Він лише показує, що нічого незвичайного в обговорюваному підході і наведеному назві немає. Віртуальні канали нумеруються. Нумерація допускає одночасну організацію між ОУПД і ЛУПД до 4096 таких каналів. Кожне пару ОУПД-ЛУПД встановлює власний набір номерів логічних каналів. Повний віртуальний канал між двома зв'язуються ОУПД може використовувати різні номери в двох своїх кінцевих сполученнях.

Сеанс зв'язку включає фази підтримання зв'язку, передачі даних і завершення. Всі необхідні функції на цих фазах виконуються шляхом передачі відповідних пакетів. Точно так само як на рівні каналу передбачаються спеціальні службові та інформаційні кадри, так і на мережевому рівні передбачені службові пакети (для передачі керуючих сигналів) і інформаційні, безпосередньо несуть передані дані. Як приклад на рис. 6 показані формати двох версій інформаційних пакетів - з нумерацією по модулю 8 (рис. 6, а) і за модулем 128 (мал. 6, б). Застосування того або іншого формату обумовлюється на етапі встановлення з'єднання в ході обміну необхідними службовими пакетами. На відміну від одновимірного подання формату кадрів (див. рис. 4 і 5) формати пакетів для більшої наочності показані у вигляді двовимірної таблиці. Кожна її рядок містить один октет (або байт, тобто 8 двійкових розрядів).

Перші октети є заголовком пакету. У ньому чотири розряду першого октету служать для передачі номера групи логічних каналів, а вісім розрядів другу октету - номери логічного каналу. Ці 12 розрядів і забезпечують можливість розрізнення 4096 віртуальних каналів. "0" у першому розряді третій октету свідчить про те, що пакет є інформаційним, а не службовим. Числа P (S) і P (R) - це номери переданого та очікуваного пакетів. Розряди 5 та 6 перших октету вказують на тип інформаційного пакета за способом його нумерації (01 вказує на рахунок по модулю 8, а 10 - на рахунок за модулем 128). D є розрядом підтвердження доставки і використовується для управління потоком від передавального кінця до приймального. Восьмий розряд перший октету Q класифікує передані дані. Зазвичай він встановлюється на "0". При встановленні ж його на "1" пакету присвоюється більш високий пріоритет. Розряд, позначений буквою М, несе мітку великої кількості даних. Він застосовується тоді, коли зв'язуються ОУПД мають різні розміри пакетів.

Описаний пакет подається на рівень каналу. Тут на його основі формується кадр (див. рис. 4). Після цього кадр передається на фізичний рівень. На ньому і відбувається його передача по каналу зв'язку. Порівнюючи формати кадру і пакету, можна помітити в них подібність деяких елементів. Треба, однак, мати на увазі, що нумерація пакетів ведеться в межах кожного віртуального каналу від відправника до одержувача. Нумерація же кадрів фіксує просто послідовні номери фактично переданих кадрів по ділянці каналу. Звертає на себе увагу та обставина, що в заголовку інформаційного пакета (на відміну від заголовка інформаційного кадру) немає адреси. Це пояснюється тим, що адреси викликає і викликається ОУПД передаються на етапі встановлення з'єднання, зокрема, в спеціальному пакеті запиту з'єднання. У цьому ж пакеті вказується номер встановленого віртуального каналу. Після його встановлення в інформаційних пакетах передається лише цей номер, а в повторенні адрес немає необхідності.

Порядкові номери пакетів P (S) і P (R) використовуються в поєднанні з так званим механізмом вікна. Його суть полягає в тому, що на етапі встановлення з'єднання між передавальної і приймальної сторонами досягається домовленість про встановлення максимального розміру вікна. Воно відповідає кількості інформаційних пакетів, які можуть залишатися непідтвердженими (за замовчуванням він приймає значення 2). Таким чином, за допомогою номерів P (S) і P (R) підтримується контроль поточного розміру вікна. Такий контроль може вестися з кінця в кінець через всю мережу або тільки на рівні ОУПД-ЛУПД. Для вибору цієї можливості і служить розряд D, що в першому випадку встановлюється на "1". При передачі даних по мережі на фізичному рівні йде безперервний потік двійкових символів. Він може відтворюватися в регенератора. На кожному вузлі цей потік надходить на рівень каналу. Тут відбувається виділення кадрів, їх перевірка на наявність помилок і при їх виявленні - повторна передача. Правильно прийняті кадри звільняються від заголовка. Виділений таким чином пакет поступає на мережевий рівень. Тут аналізується його заголовок і приймається рішення про подальшої передачі. Після цього пакет повертається на рівень каналу потрібного напрямку, де до нього додається новий заголовок кадру. Після цього він передається на фізичний рівень для передачі за наступним ділянці. Такий процес повторюється в кожному проміжному вузлі до тих пір, поки пакет не досягне пункту призначення. Наведене опис може дати лише саме загальне уявлення про систему Х.25, тому що в ньому опущені дуже багато подробиць. Проте вже з цього опису стає очевидним основний недолік стандарту Х.25. Він полягає в необхідності запису і відтворення кадрів у кожному вузлі мережі. При невеликих швидкостях передачі обсяг записуваної інформації виявляється не настільки великий і сучасна техніка ЗУ дозволяє побудувати необхідні накопичувачі без особливо великих витрат. Якщо ж канали зв'язку недостатньо гарної якості, перевірка кадрів по ділянках каналів дозволяє організувати достатньо надійну передачу. У такій організації системи виявляється перевага стандарту Х.25. З підвищенням ж якості каналів і їх швидкодії передача невиправдано затримується за рахунок обробки у вузлах. Саме тому на зміну Х.25 приходить система ретрансляції кадрів (Frame Relay). Вона позбавлена зазначеного недоліку.