Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Telekomunikační sítě WAN sítě Datum: 22.2.2012 Autor: Ing. Petr Machník, Ph.D. Kontakt: petr.machnik@vsb.cz Předmět: Telekomunikační sítě ts_120222_kapitola4
WAN sítě Ing. Petr Machník, Ph.D.
WAN sítě WAN sítě pokrývají geograficky rozsáhlejší oblasti než LAN sítě. Zatímco LAN síť spojuje počítače a jiná koncová zařízení v rámci jedné budovy nebo jiné geograficky malé oblasti, WAN síť umožňuje přenos dat na velkou vzdálenost. WAN sítě využívají často služeb telekomunikačních operátorů, poskytovatelů připojení k Internetu, provozovatelů sítí kabelových televizí apod. Ve WAN sítích se často používá obsluha pomocí virtuálních kanálů (např. u technologií X.25, Frame Relay, ATM). Vhodným řešením WAN sítí jsou také technologie používající již existující kabelové rozvody (např. ISDN, xdsl, sítě kabelových televizí) a sítě pevných nebo mobilních bezdrátových technologií (např. WiFi, WiMAX, rádiové buňkové sítě). WAN sítě velmi často propojují LAN sítě mezi sebou. 2
X.25 Technologie X.25 byla definována v roce 1974 jako Rozhraní mezi koncovým datovým zařízením (data terminal equipment - DTE) a zařízením ukončujícím datový okruh (data circuit-terminating equipment - DCE) pro terminály pracující v paketovém módu a připojených k veřejným datovým sítím pomocí rezervovaných okruhů. Toto rozhraní se označuje jako rozhraní uživatel-síť (userto-network interface - UNI). Vnitřní struktura této sítě je různá a závisí na volbě telekomunikačních operátorů. Aby byla možná komunikace mezi sítěmi různých telekomunikačních operátorů je nutné definovat rozhraní síť-síť (network-to-network interface - NNI), které je upravenou verzí rozhraní UNI. 3
Vlastnosti technologie X.25 Technologie X.25 je vhodná pro přenos dat vyžadujících jen nízkou přenosovou rychlost. Pro multiplexování a demultiplexování datových toků z koncových zařízení se používá zařízení označované jako packet assembler-disassembler (PAD). Technologie X.25 využívá tři spodní vrstvy modelu OSI. Je to spojově orientovaná technologie provádějící kontrolu přenášených dat a opravu chyb, díky čemuž zajišťuje spolehlivý přenos dat přes nespolehlivé komunikační linky. V současnosti je tato technologie již zastaralá. 4
Protokolový model technologie X.25 Fyzická vrstva - Jsou definována dvě rozhraní (X.21 a X.21bis) k datovým přenosovým zařízením. - X.21 rozhraní k zařízení CSU/DSU (Channel Service Unit/Data Service Unit), pokud je linka digitální. - X.21bis rozhraní k synchronnímu modemu, pokud je linka analogová. Spojová vrstva - Používá se zde protokol LAP-B (Link Access Procedure Balanced), který zajišťuje možnost automatického opakovaného poslání rámce v případě přenosové chyby. LAP-B vytváří spojení mezi DTE a DCE zařízením. 5
LAP-B je spojově orientovaný protokol, který používá oknový mechanizmus k zajištění spolehlivého přenosu rámců mezi dvěma přímo připojenými zařízeními. LAP-B je podobný protokolu HDLC (High-Level Data Link Control). Síťová vrstva Pro vytvoření virtuálního spojení se používá protokol X.25/3. Jeho hlavní funkce jsou: 1) směrování paketů, 2) vytvoření a ukončení virtuálních kanálů mezi uživateli sítě, 3) kontrola paketových toků. Podle tohoto protokolu pošle koncové zařízení, které chce přenášet data, paket call request zapouzdřený do rámce LAP-B. Tento paket specifikuje zdrojovou a cílovou adresu komunikačního kanálu. 6
Když paket call request přijme síťový přepínač, přepošle ho podle své směrovací tabulky, čímž vytvoří část virtuálního kanálu. V X.25 není definován směrovací protokol, proto je nutné vytvářet směrovací tabulky manuálně. Jak putuje paket call request od jednoho přepínače k druhému, vytváří si přepínače nové záznamy ve svých přepínacích tabulkách v podobě nových hodnot speciálních značek. Tím se vytvoří virtuální kanál. Počáteční hodnota značky identifikující virtuální kanál je koncovým zařízením specifikována pomocí pole Logical Channel Identifier (LCI). Po vytvoření virtuálního kanálu si koncová zařízení vyměňují datové pakety s jiným formátem. V datových paketech není uvedena zdrojová a cílová adresa. Jedinou adresní informací je zde značka LCI. 7
Přenos dat v síti X.25 Rozdíl technologie X.25 oproti jinak podobným technologiím Frame Relay a ATM je v tom, že X.25 pracuje i na síťové vrstvě. Poté, co je vytvořen virtuální kanál, je přenos dat realizován pomocí protokolu síťové vrstvy namísto protokolu spojové vrstvy (jako je tomu u Frame Relay nebo ATM). 8
Frame Relay Frame Relay je novější technologie než X.25 a je vhodnější pro přenos zhlukovitého provozu typického pro počítačové sítě. Tato přednost platí ale jen při použití kvalitních komunikačních cest. Ve Frame Relay je možné i použití optických vláken. Technologie Frame Relay byla původně (v roce 1988) standardizována jako doplněk k paketovému módu činnosti technologie ISDN. V roce 1993 bylo toto doporučení upraveno. Standard Frame Relay, který byl vytvořen za spolupráce ITU-T (International Telecommunication Union), ANSI (American National Standards Institute) a Frame Relay Fóra definuje dva typy virtuálních okruhů (kanálů) - permanent virtual circuit (PVC) a switched virtual circuit (SVC). 9
To odpovídá potřebám uživatelů. PVC je vhodnější pro spojení, kde se data přenáší trvale. Na druhou stranu SVC se používá pro spojení, kde se data přenáší jen občas. Nicméně, výrobci zařízení a provozovatelé Frame Relay sítí používají obvykle jen PVC. Proto se v praxi technologie Frame Relay obvykle spojuje jen s podobou permanentních virtuálních okruhů. 10
Protokolový model technologie Frame Relay Protokolový model Frame Relay je jednodušší než u X.25. Protože Frame Relay používá kvalitní komunikační cesty, není potřeba funkcí zajišťujících spolehlivý přenos dat. Pokud přesto nastanou nějaké přenosové chyby, Frame Relay je ignoruje. Činnosti spojené s obnovou ztracených nebo poškozených paketů jsou ponechány na protokolech vyšších vrstev (např. TCP). Díky tomu je režie spojená s přenosem nízká a tím je přenosová rychlost oproti X.25 vyšší (až 64 kbit/s u X.25 až 2 Mbit/s u Frame Relay existují ale i rychlejší nestandardizované varianty Frame Relay) a přenosové zpoždění nižší. V protokolovém modelu Frame Relay slouží protokoly kontrolní úrovně k vybudování virtuálního spojení a protokoly datové úrovně k přenosu rámců přes vybudovaný virtuální kanál. 11
Protokolový model Frame Relay 12
Protokol LAP-F (Link Access Procedure for Frame mode bearer services) je ITU-T standard s označením Q.922 a pracuje na spojové vrstvě. Existují dvě verze tohoto protokolu: 1) Základní LAP-F funkce představují minimální sadu nástrojů pro přenos dat ve Frame Relay síti. Takováto síť podporuje jen vytváření permanentních virtuálních okruhů (PVC). 2) Řízení LAP-F obsahuje funkce nutné pro přenos dat pomocí přepínaných virtuálních okruhů (SVC). Obě verze protokolu LAP-F zajišťují přenos rámců mezi sousedními přepínači. 13
Kontrolní úroveň je zodpovědná za dynamické vytváření SVC. K tomuto účelu musí přepínače podporovat dva protokoly kontrolní úrovně - Link Access Procedure D (LAP-D nebo Q.921) na spojové vrstvě a Q.933 na síťové vrstvě. - LAP-D zajišťuje spolehlivý přenos rámců mezi sousedními přepínači. - Q.933 používá adresy koncových uzlů, mezi nimiž vytváří virtuální okruh. Tyto adresy mají stejný formát jako telefonní čísla dle standardu E.164. Frame Relay se obvykle označuje jako technologie spojové vrstvy, která se stará především o přenos uživatelských dat. Procedury pro vytváření virtuálního kanálu jsou realizovány protokoly síťové vrstvy. 14
Virtuální kanály Frame Relay technologie lze použít i pro přenos paketů jiných protokolů (např. IP pakety). LAP-F rámec obsahuje následující pole: - DLCI (Digital Link Connection Identifier) identifikuje virtuální spojení (10 bitů až 1024 spojení -> může být rozšířeno). Formát Frame Relay rámce 15
DLCI= 0 používá se pro virtuální okruh LMI, 1 15 rezervováno pro budoucí použití, 16 991 používáno uživateli pro adresování PVC a SVC, 992 1007 používáno síťovými transportními službami pro interní síťová spojení, 1008 1022 rezervováno pro budoucí použití, 1023 používáno pro řízení spojové vrstvy. - EA (Extended address) pokud je tento bit nastaven na 0, je toto pole označováno jako EA0 a znamená to, že následující byte obsahuje pokračování adresního pole; pokud je tento bit nastaven na 1, je toto pole označováno jako EA1 a znamená to konec adresního pole. 16
- C/R (Command/Response) má podobný význam jako u jiných protokolů vycházejících z protokolu HDLC. - DE (Discard Eligibility), FECN (Forward Explicit Congestion Notification), BECN (Backward Explicit Congestion Notification) se používají k řízení provozu a k podpoře QoS pro daný virtuální kanál. 17
Příklad sítě Frame Relay 18
Podpora QoS (Quality of Service) ve Frame Relay Technologie Frame Relay je schopna poskytnout požadovanou kapacitu sítě jednotlivým virtuálním kanálům. Závislost propustnosti a zpoždění na množství provozu v síti 19
V síti je třeba mít nástroje na prevenci a, pokud prevence selže, na odstranění stavů zahlcení. Pro každé virtuální spojení je definováno několik parametrů. Všechny parametry se vztahují k přenosové rychlosti a ovlivňují QoS. - Committed information rate (CIR) garantovaná přenosová rychlost, kterou bude síť přenášet uživatelská data, - Committed burst size (Bc) garantované množství bytů uživatelských dat, které síť přenese za definovaný časový interval T (burst time), - Excess burst size (Be) množství bytů uživatelských dat, která se síť pokusí přenést navíc vedle garantovaného množství Bc za definovaný časový interval T. 20
Tyto parametry jsou jednosměrné, tj. pro opačné směry v rámci jednoho virtuálního kanálu mohou být stanoveny různé hodnoty parametrů CIR/Bc/Be. Pokud jsou dohodnuty výše uvedené parametry, lze hodnotu T stanovit pomocí vztahu T = Bc/CIR. Pro přenos neprioritních dat je tato hodnota 1-2 sekundy a pro přenos hlasu je v rozsahu desítek až stovek milisekund. Hlavním parametrem, na jehož základě uzavírá zákazník a poskytovatel síťové služby smlouvu o poskytnutí virtuálního kanálu, je parametr CIR. U PVC je virtuální kanál vytvořen pevně na základě této dohody. U SVC je dohoda uzavřena automaticky pomocí protokolu Q.933 (pomocí paketu connection request). 21
Přenosové parametry ve Frame Relay 22
Rámce s parametrem DE (Discard Eligibility) nastaveným na 1 budou sítí odstraněny, pokud dojde k jejímu zahlcení. Technologie Frame Relay definuje jeden volitelný nástroj pro řízení provozu. Jedná se o mechanizmus umožňující informovat koncové uživatele o zahlcení síťových přepínačů nezpracovanými rámci. Bit Forward Explicit Congestion Notification (FECN) dokáže informovat cílové zařízení o stavu zahlcení. Cílové zařízení pak může o tomto stavu informovat vysílací zařízení (pomocí protokolu vyšší vrstvy jako např. TCP), aby snížilo množství rámců odesílaných do sítě. Bit Backward Explicit Congestion Notification (BECN) dokáže informovat zdrojové zařízení o stavu zahlcení. Následně vysílací zařízení sníží množství rámců odesílaných do sítě. 23
ATM (Asynchronous Transfer Mode) ATM technologie byla vyvinuta jako univerzální technologie nové generace sítí s integrovanými službami známé jako B-ISDN (Broadband-Integrated Services Digital Network). Cílem při vývoji ATM bylo vytvořit technologii pro konvergované sítě poté, co se tohoto cíle nepodařilo dosáhnout technologii ISDN. Podle původních představ měla mít technologie ATM následující schopnosti: - Jednotný transportní systém pro současný přenos počítačového provozu a multimediálního provozu (hlas a video), který je velmi citlivý na přenosové zpoždění. Kvalita služby (QoS) má odpovídat požadavkům jednotlivých typů provozu. - Hierarchie přenosových rychlostí v rozsahu od desítek Mbit/s až po jednotky Gbit/s s možností garance přenosové rychlosti pro důležité aplikace. 24
- Možnost využívat existující infrastrukturu postavenou na protokolech fyzické vrstvy: PDH, SDH nebo vysokorychlostní LAN technologie. - Interakce s existujícími protokoly jako IP, Ethernet, ISDN. Mnoho těchto cílů bylo úspěšně dosaženo. Od poloviny 90. let se technologie ATM začala používat v praxi jako technologie s nejlepší podporou QoS parametrů pro uživatele sítě. Nicméně ATM technologie nenahradila ostatní technologie a nestala se jedinou transportní technologií telekomunikačních sítí. O vývoj standardů ATM technologie se stará mnoho výrobců telekomunikačního vybavení a provozovatelů telekomunikačních sítí sdružených v ATM fóru. 25
K využití všech vlastností ATM musí být celá síť homogenní všichni provozovatelé sítí by museli používat ATM. To je ale v rozporu s principem propojování sítí jednotlivé sítě mohou používat různé technologie, ale dohromady jsou spojeny stejnou síťovou vrstvou. Z tohoto důvodu zůstává IP dominantním protokolem síťové vrstvy vhodným pro propojování různých sítí. IP umožňuje v porovnání s ATM vytvářet efektivnější a levnější sítě. 26
Hlavní principy fungování ATM K urychlení přepínání paketů v rozsáhlých sítích se používá metoda virtuální cesty. Virtuální cesta sdružuje virtuální kanály, které mají stejnou cestu v ATM síti mezi dvěma koncovými zařízeními nebo síťovými uzly. Tímto způsobem se zvýší rozšiřitelnost ATM sítě, protože se podstatně sníží počet virtuálních spojení udržovaných páteřními ATM přepínači, čímž se zvýší jejich výkonnost. ATM využívá technologie SDH/SONET na fyzické vrstvě včetně jejich hierarchie přenosových rychlostí. Základní přenosovou rychlostí ATM je tedy 155 Mbit/s při použití STM-1. 27
Páteřní ATM zařízení pracují s vyššími přenosovými rychlostmi STM-4 dosahuje rychlosti 622 Mbit/s a STM- 16 používá rychlost 2,5 Gbit/s. Existují ale i ATM zařízení, které pracují s rychlostmi vycházejícími z PDH jako je 34 Mbit/s nebo 45 Mbit/s. Data jsou v ATM přenášena pomocí tzv. buněk (cell), což jsou protokolové datové jednotky ATM s pevnou délkou 53 bytů. Používání malých buněk je zvláště výhodné pro přenos dat citlivých na přenosové zpoždění. Daní za tuto schopnost je vysoké zatížení ATM přepínačů pracujících s vysokými rychlostmi. Množství práce prováděné směrovačem nebo přepínačem používajícím libovolnou technologii je totiž přímo úměrné počtu paketů nebo rámců zpracovávaných za jednotku času. 28
Klasifikace ATM rozděluje všechen provoz do pěti tříd: A, B, C, D a X. První čtyři třídy reprezentují provoz typických aplikací, které mají jasné požadavky na zpoždění a ztrátovost paketů. Jiným rozlišovacím kritériem mezi jednotlivými třídami je to, zda je jejich provoz charakterizován konstantní přenosovou rychlostí (constant bit rate - CBR) nebo proměnlivou přenosovou rychlostí (variable bit rate - VBR). Třída X je rezervovaná pro speciální aplikace, jejichž provoz má zvláštní požadavky na QoS a nelze jej zařadit do některé z předchozích tříd. V každé třídě je definována skupina parametrů, jejichž hodnoty jsou specifikovány jednotlivými aplikacemi: - peak cell rate (PCR) maximální přenosová rychlost, 29
- sustained cell rate (SCR) průměrná přenosová rychlost, - minimum cell rate (MCR) minimální přenosová rychlost, - maximum burst size (MBS) maximální velikost datového zhluku, - cell loss ratio (CLR) podíl paketů ztracených během přenosu, - cell transfer delay (CTD) přenosové zpoždění buněk, - cell delay variation (CDV) variabilita přenosového zpoždění buněk. Pokud přenosová rychlost a další parametry QoS nejsou pro danou aplikaci důležité, může být vytvořeno spojení se službou typu best-effort. Tento typ provozu se označuje jako provoz s nespecifikovanou přenosovou rychlostí (unspecified bit rate - UBR). 30
Protokolový model technologie ATM Protokolový model ATM odpovídá čtyřem spodním vrstvám modelu OSI. Zahrnuje ATM adaptační vrstvu (AAL), ATM vrstvu a fyzickou vrstvu. Protokolový model ATM 31
ATM adaptační vrstva (ATM Adaptation Layer - AAL) - AAL vrstva je tvořena protokoly AAL1 AAL5, které přeměňují zprávy vyšších vrstev do podoby ATM buněk požadovaného formátu. Funkce této vrstvy zhruba odpovídá transportní vrstvě OSI modelu. AAL protokoly se používají jen na síťových koncových zařízeních podobně jako transportní protokoly jiných technologií. - Jednotlivé protokoly AAL vrstvy zpracovávají uživatelská data různých tříd: AAL1 protokol se používá pro provoz třídy A, který vyžaduje konstantní přenosovou rychlost a malé zpoždění, což je typické pro digitální video nebo hlas. ATM síť přenáší tato data tak, že emuluje vlastnosti propůjčených digitálních linek. AAL2 protokol byl vytvořen pro přenos dat třídy B. Později byl ale vyřazen z protokolového modelu ATM. 32
AAL3/4 protokol přenáší zhlukovitý provoz, typický pro počítačové sítě. Tento provoz vyžaduje proměnlivou přenosovou rychlost a minimální ztrátovost buněk. Na druhou stranu velikost zpoždění není tak důležitá. Jedná se o provoz třídy B. AAL5 protokol je zjednodušenou verzí protokolu AAL4. Pracuje rychleji, protože nepočítá kontrolní součet pro každou přenášenou buňku. Místo toho počítá kontrolní součet pro celou zprávu a umisťuje ho do poslední buňky této zprávy. Tento protokol se používá pro počítačová data (třída C a D). AAL5 nepůsobí jen na koncových zařízeních, ale i na ATM přepínačích, kde pomáhá vytvářet virtuální spojení. 33
- Convergence sublayer (CS) závisí na třídě provozu přenášených dat (a tím i na typu AAL protokolu). Stará se o synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem a o kontrolu chyb v uživatelských datech. O obnovu ztracených dat se ale starají protokoly vyšších vrstev, které již nejsou součástí protokolového modelu ATM. - Segmentation and reassembly (SAR) podvrstva je nezávislá na typu AAL protokolu. Segmentuje zprávy z vyšších vrstev. Vytváří také ATM buňky včetně jejich záhlaví. Následně tyto buňky předává ATM vrstvě k přenosu sítí. 34
ATM vrstva - Poté, co je vytvořen a nastaven virtuální kanál, přenáší ATM vrstva jednotlivé buňky za pomocí přepínacích tabulek. - ATM vrstva provádí přepínání buněk pomocí čísel virtuálních kanálů, které mají dvě části virtual path identifier (VPI) a virtual channel identifier (VCI). -ATM přepínače pracují ve dvou módech: 1) přepínaní virtuálních cest Přepínače přepínají buňky jen na základě VPI a ignorují VCI. Jedna virtuální cesta reprezentuje skupinu sdružených virtuálních kanálů. Tímto způsobem fungují páteřní přepínače v rozsáhlých sítích. 35
2) přepínání virtuálních kanálů Po doručení buňky do lokální ATM sítě začnou přepínače této sítě přepínat buňky na základě VPI i VCI, přičemž hodnota VPI se nemění. Formát ATM buňky 36
- Formát ATM buňky: Generic flow control se používá pro řízení toku dat na rozhraní uživatel-síť. Payload type identifier specifikuje typ dat přenášených buňkou (uživatelská nebo kontrolní data). Jeden bit tohoto pole explicit congestion forward identifier se používá k indikaci stavu zahlcení sítě. Funguje podobně jako bit FECN u technologie Frame Relay. Cell loss priority plní stejnou funkci jako DE bit u Frame Relay. Používá se k označení buněk, které překročí garantovanou přenosovou rychlost. Tyto buňky jsou odstraněny, pokud nastane zahlcení sítě. 37
K vytvoření virtuálního spojení se používá protokol Q.2931, který využívá protokol SSCOP k spolehlivému přenosu svých zpráv. SSCOP pracuje nad protokolem AAL5. Koncové zařízení používá zprávu call setup protokolu Q.2931 jako požadavek na vytvoření virtuálního spojení a ke specifikaci požadovaných přenosových parametrů. Když tato zpráva dorazí do přepínače, přepínač si ji prohlédne a rozhodne se, zda má dostatečnou kapacitu pro vytvoření virtuálního spojení s požadovanými parametry. Pokud ano, tak se vytvoří virtuální spojení a zprávu pošle přepínač dál na základě cílové adresy a směrovací tabulky. Pokud je kapacita nedostačující, tak je požadavek na vytvoření spojení odmítnut. 38
Použitá literatura: OLIFER, Natalia, OLIFER, Victor. Computer Networks: Principles, Technologies and Protocols for Network Design. Chichester : John Wiley & Sons, 2006. 973 s. ISBN 0470869828. BLUNÁR, Karol, DIVIŠ, Zdeněk. Telekomunikační sítě, 1.díl. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2003. ISBN 80-248- 0391-7. BLUNÁR, Karol, DIVIŠ, Zdeněk. Telekomunikační sítě, 2.díl. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2006. ISBN 80-248- 1077-8. 39