Международные сети - глобальный масштаб, специфические проблемы

Часть II. Архитектура международных сетей связи. Начало в CW-R #20

Международные сети, как мы выяснили в прошлый раз, отличаются от локальных сетей в первую очередь своим масштабом. На первый взгляд чисто количественное, это отличие приводит к качественному изменению приоритетов при проектировании сети. Фраза эта может показаться загадочной, однако я надеюсь, что к концу нашего общения заинтригованный читатель выяснит, что тут имеется в виду. Наиболее очевидным следствием глобального масштаба сети является высокая стоимость линий связи. Поэтому одной из главных задач при проектировании сети является обеспечение рационального использования имеющейся пропускной способности. В качестве "носителя" этой пропускной способности могут выступать различные физические объекты. Это могут быть коммутируемые линии общественного доступа, выделенные линии, широкополосные каналы и так далее.

Простой обмен информацией по коммутируемым линиям общего доступа (это наиболее привычный способ обмена информацией для многих наших читателей - берешь модем или факс, подключаешься к телефонной сети, и обменивайся сколько влезет), где плата за сеанс исчисляется на поминутной основе, становится невыгодным, когда интенсивность информационного потока превышает некоторый порог. Для поддержания работоспособности большинства международных коропораций требуются информационные потоки, существенно превышающие этот предел, поэтому для обеспечения связи в рамках корпорации многие фирмы устанавливают опорную сеть на базе линий T1/E1. Выясним, каким образом можно обеспечить рациональное использование пропускной способности линий связи.

Во-первых, это различные способы сжатия передаваемой информации. Все мы в той или иной степени знакомы с упаковкой данных. Точно такую же операцию можно проводить на аппаратном уровне в процессе передачи цифровых данных. При этом возникают определенные задержки в передаче, связанные с необходимостью "на лету" выполнять соответствующие действия, однако существенно уменьшаются объемы информации, непосредственно пересылаемые по линиям связи; суммарная степень сжатия зависит от типа пересылаемых данных и, например, для баз данных может достигать 10 : 1. В иной ситуации можно было бы говорить о необходимости соблюсти баланс между задержкой передачи и экономией пропускной способности, однако для международных сетей главным приоритетом является именно экономия ресурсов средств связи.

Помимо данных, алгоритмы сжатия информации могут использоваться и для уменьшения информационных потоков, необходимых для передачи голоса. При этом голосовой сигнал оцифровывается (один цифровой голосовой канал занимает 64 кбит/с). Далее задача состоит в том, как упаковать получающийся поток бит таким образом, чтобы, с одной стороны, как можно существеннее уменьшить его интенсивность, а с другой, в максимальной степени сохранить качество аудиосигнала. Один из распространенных алгоритмов упаковки голоса состоит в том, что при оцифровке записывают не абсолютный уровень сигнала, а только изменение уровня по отношению к предыдущему значению; псокольку голосовой сигнал не может претерпевать резких изменений, данный способ позволяет обойтись меньшим числом бит для кодировки одного значения; следовательно, уменьшается и суммарный информационный поток. Кроме того, существуют алгоритмы, позволяющие не передавать по линиям связи молчание абонента. Поскольку телефонные разговоры в значительной степени состоят из молчания, данный прием также уменьшает суммарный объем передаваемой информации. Суммарная степень сжатия голосовой информации может составлять от 8 : 1 до 10 : 1. При передаче голосовой информации по сетям с большим количеством промежуточных точек, операции восстановления-сжатия могут выполняться только в начальной и конечной точке канала, а могут - и в каждой точке. При такой "прыжковой" (hop-by-hop) передаче качество передачи голоса снижается, а задержки в разговоре (связанные с выполнением соответствующих операций) возрастают. Тем не менее, передача hop-by-hop часто используется в оборудовании старых моделей.

Еще один вид информации, которой обмениваются между собой отделения международных компаний - это факсимильные сообщения. Здесь также удается добиться значительной оптимизации, и прежде всего за счет выбора правильной формы передачи сообщений. Дело здесь в следующем. В современных средствах факсимильной связи, будь то факс-аппараты или факс-модемы, как правило, образы пересылаемых документов, как правило, представляются в цифровой форме. и лишь на последнем этапе, непосредственно перед передачей по линии, цифровая информация преобразуется в аналоговый сигнал. При этом для передачи аналогового сигала необходимо 64 000 бод, в то время как для передачи факса достаточно 9600 бод. Если телекоммуникационное оборудование может определять, что представляет собой аналоговый сигнал - голос или факсимильное сообщение, - то аналоговый сигнал от факсимильного аппарата может быть оцифрован таким образом, что для его передачи потребуется всего 9600 бод. Ясно, что это позволит уменьшить нагрузку на коммуникационную линию.

Ясно, что работа со сжатием данных требует дополнительных заптрат на приобретение соответствующего оборудования. Тем не менее, поскольку стоимость самих линий связи чрезвычайно высока, эти затраты окупаются очень быстро.

Экономить телекоммуникационные ресурсы компании позволяет также правильный выбор методов распределения имеющейся пропускной способности между разными каналами обмена информацией. Здесь существует два основных метода: коммутация линий (circuit switching) и коммутация пакетов (packet switching).

Работа с коммутацией линий предполагает установление постоянного соединения между сторонами, участвующими в информационном обмене. При этом для каждого информационного потока отводится ровно та часть общей пропускной способности, которая необходима для передаи информации. При этом данные передаются неперывным потоком, а следовательно, можно гарантировать, что от момента передачи до момента приема пройдет строго определенное время (задержки при пересылке связаны, разумеется не со временем распространения сигнала по линиям связи, а с необходимостью сжатия-восстановления данных). Кроме того, здесь полностью отсутствуют накладные расходы при передаче данных. С другой стороны, соединение поддерживается независимо от того, происходит ли в данный момент передача информации, и кроме того, невозможно объединение двух разнородных потоков информации в одной линии. Это приводит к недогрузке коммуникационных ресурсов, поскольку полупустую линию нельзя одновременно использовать для передачи по ней части информации с перегруженной линии. Технология коммутации линий хороша для передачи непрерывных битовых потоков и для голосового обмена; в первом случае ее преимущество опеределяется отсутствием накладных расходов, во втором - гарантированным временем доставки.

Если же информационный обмен носит более случайный характер, и использование коммутации линий приводит к существенным потерям в пропускной способности, то более разумно использовать режим работы с коммутацией пакетов. При этом все передаваемые данные разделяются на пакеты (то есть просто блоки данных), к которым добавляется вся необходимая для правильной доставки информация (в частности, адрес назначения), и в таком виде пересылаются по сети. Конкретная форма пакетов и содержание служебной информации определяется используемым протоколом. Информационные потоки, пересылаемые в соответствии с разными протоколами, могут сосуществовать в одной сети только в том случае, если коммутационное оборудование может по виду самого пакета распознать, какой протокол используется для передачи данного пакета. При работе в пакетном режиме одна и та же линия может использоваться для передачи разнородных потоков информации. Кроме того, поскольку каждый пакет снабжен адресом, то при перегрузке основной линии коммутационное оборудование может передавать часть пакетов по резервным линиям, идущим в обход перегруженных участков - на приемном конце все пакеты будут собраны воедино, и адресат получит сообщение в том виде, в каком оно было послано. Недостатки данного режима также очевидны - это наличие накладных расходов на пересылку адреса и негарантированное время доставки. Ранее пакетный режим использовался в основном для передачи данных; в настоящее время пакеты все чаще используются также и для обеспечения телефонных переговоров.

Современное коммутационное оборудование обеспечивает интеграцию двух режимов. При этом часть пропускной способности магистрали, соединяющей две точки, используется для передачи данных в пакетном режиме, а другая часть - для обеспечения информационного обмена в режиме коммутации линий. Таким образом удается достичь наиболее полной "упаковки" информационного потока в линию связи.