Общие принципы построения сетей

Интернет является сетью виртуальных сетей. В 1991 году у нас (тогда еще в СССР) о нем знали несколько десятков человек, которые только что освоили электронную почту (через RELCOM) и попробовали, что такое FidoNet. Первое сообщение по электронной почте было послано президентом США Биллом Клинтоном 2 марта 1993 года. Первая новелла Стивена Кинга была опубликована по каналам Интернет 19 сентября 1993 года (до появления печатной копии), к тому же году относится начало синхронной передачи радио-программ по сетям Интернет. В конце 1993 года заработала первая очередь оптоволоконной опорной сети Москвы, полностью профинансированная Джорджем Соросом. В 1994 году НАТО организовало первую конференцию по Интернет в России (в Голицыно под Москвой). С помощью DFN (Deutsche Forschung Naetze), а затем Дж. Сороса и RELARN круг любителей Интернет расширился до сотен и тысяч, а после включения программ Минвуза и Министерства науки РФ счет пошел на десятки тысяч. Это произошло прежде всего потому, что созрели условия — в различных учреждениях (сначала научных, а затем коммерческих и государственных) и у частных лиц оказались сотни тысяч персональных ЭВМ. К этому же времени (1992-93 годы) в мире стала формироваться сеть депозитариев, доступных через анонимный доступ (FTP), а несколько позднее и WWW-серверов. На рис. 1..1 показан рост числа ЭВМ, подключенных к Интернет по годам с 1989 по 1998 годы. Видно, что рост числа узлов сети имеет экспоненциальный характер. Можно смело утверждать, что протоколы Интернет, созданные для осуществления связи в случае нанесения десятков ядерных ударов по США со стороны СССР, явились одним из немногих (возможно единственным) положительным результатом холодной войны.

Рис. 1..1. Рост числа ЭВМ, подключенных к Интернет в период 1989-98 годы (по вертикальной оси отложено число ЭВМ в миллионах)

Сегодня, когда Интернетом заинтересовались широкие массы трудящихся, и определенная часть их подключилась к расширению этой сети, стала актуальной проблема оптимального проектирования сетей и их подключения к общенациональной и международной сети Интернет.

Современные сети Интернет объединяют в единое целое многие десятки (а может быть уже и сотни) тысяч локальных сетей по всему миру, построенных на базе самых разных физических и логических протоколов (ethernet, Token Ring, ISDN, X.25, Frame Relay, Arcnet и т.д.). Эти сети объединяются друг с другом с помощью последовательных каналов (протоколы SLIP, PPP), сетей типа FDDI(часто используется и в локальных сетях), ATM, SDH(Sonet) и многих других. В самих сетях используются протоколы TCP/IP (Интернет), IPX/SPX (Novell), Appletalk, Decnet, Netbios и бесконечное множество других, признанных международными, являющихся фирменными и т.д. Картина будет неполной, если не отметить многообразие сетевых программных продуктов. На следующем уровне представлены разнообразные внутренние (RIP, IGRP, OSPF) и внешние (BGP и т.д.) протоколы маршрутизации и маршрутной политики, конфигурация сети и задание огромного числа параметров, проблемы диагностики и сетевой безопасности. Немалую трудность может вызвать и выбор прикладных программных средств (Netscape, MS Internet Explorer и пр.). В последнее время сети внедряются в управление (CAN), сферу развлечений, торговлю, происходит соединение сетей Интернет и кабельного телевидения.

Что явилось причиной стремительного роста сети Интернет? Создатели базовых протоколов (TCP/IP) заложили в них несколько простых и эффективных принципов: инкапсуляцию пакетов, фрагментацию/дефрагментацию сообщений и динамическую маршрутизацию путей доставки. Именно эти идеи позволили объединить сети, базирующиеся на самых разных операционных системах (Windows, Unix, Sunos и пр.), использующих различное оборудование (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, ATM, SDH и т.д.) и сделать сеть нечувствительной к локальным отказам аппаратуры. Огромный размер современной сети порождает ряд серьезных проблем. Любое усовершенствование протоколов должно проводиться так, чтобы это не приводило к замене оборудования или программ во всей или даже части сети. Достигается это за счет того, что при установлении связи стороны автоматически выясняют сначала, какие протоколы они поддерживают, и связь реализуется на общем для обеих сторон наиболее современном протоколе (примером может служить использование расширения протокола smtp — MIME). В кабельном сегменте современной локальной сети можно обнаружить пакеты TCP/IP, IPX/SPX (Novell), Appletalk, которые успешно сосуществуют.

Проектировщикам и создателям сетей приходится учитывать многие десятки факторов при выборе того или иного типа сети, сетевого оборудования, операционной системы (UNIX, MS-DOS, IRIS, Windows-NT, SOLARIS или что-то еще), программного обеспечения, внешних каналов связи (выделенный канал, коммутируемая телефонная сеть, цифровая сеть, радио или спутниковый канал) и в конце концов сервис-провайдера. За всем этим стоят как технологические проблемы, так и финансовые трудности, тяжелый выбор между дешевой и хорошей сетью.

Если вас интересуют оригинальные тексты протоколов Интернет, вы можете получить их, например, через анонимное FTP по адресу ds.internic.net (в каталоге RFC) или на нашем сервере store.in.ru/rfcs (зеркало). Эти документы можно найти и в других депозитариях.

Документы RFC делятся на стандарты, проекты стандартов, временные (экспериментальные) регламентации и предложения. Чем больше номер RFC, тем более поздней дате этот документ соответствует. О статусе тех или иных RFCможно узнать из RFC-1500 и -1780 (см. также файл std-inde.txt из того же депозитария, что и rfc-index.txt). Если вы хотите найти какой-то RFC-документ, начните с просмотра индексного файла (напр. rfc-index.txt). Первый документ RFC был выпущен в 1969 году более 30 лет тому назад. Далее темп публикаций варьировался в довольно широких пределах, в 1997-99 годах наблюдается заметный всплеск активности, связанный с потребностями мультимедиа (RTP, RSVP, PIM и т.д.), безопасностью и IPv6. Вариация публикаций документов RFC по годам представлена на рис 1..2.

Рис. 1..2. Распределение публикаций документов RFC по годам с 1969 по 1999

Из этого распределения видно, что к 1979 году окончательно сформировался стек базовых протоколов и начался экстенсивный рост сети Интернет. По мере выявления недостатков протоколов и новых потребностей после 1989 года началась активная разработка новых направлений и приложений в Интернет.

Но все по порядку. Начнем с того, как устроен Интернет. На рис. 1..3 показана общая схема, которая облегчит дальнейшее обсуждение данной проблематики (буквами R отмечены маршрутизаторы-порты локальных сетей).

Каждая из сетей, составляющих Интернет, может быть реализована на разных принципах, это может быть Ethernet (наиболее популярное оборудование), Token Ring (вторая по популярности сеть), ISDN, X.25, FDDI или Arcnet. Все внешние связи локальной сети осуществляются через порты-маршрутизаторы (R). Если в локальной сети использованы сети с разными протоколами на физическом уровне, они объединяются через специальные шлюзы (например, Ethernet-Fast_Ethernet, Ethernet-Arcnet, Ethernet-FDDI и т.д.). Выбор топологии связей определяется многими факторами, не последнюю роль играет надежность. Использование современных динамических внешних протоколов маршрутизации, например BGP-4, позволяет автоматически переключаться на один из альтернативных маршрутов, если основной внешний канал отказал. Поэтому для обеспечения надежности желательно иметь не менее двух внешних связей. Сеть LAN-6 (см. рис. 1.3) при выходе из строя канала R2-R6 окажется изолированной, а узел LAN-7 останется в сети Интернет даже после отказа трех внешних каналов.

Широкому распространению Интернет способствует возможность интегрировать самые разные сети, при построении которых использованы разные аппаратные и программные принципы. Достигается это за счет того, что для подключения к Интернет не требуется какого-либо специального оборудования (маршрутизаторы не в счет, ведь это ЭВМ, где программа маршрутизации реализована аппаратно). Некоторые протоколы из набора TCP/IP (ARP, SNMP) стали универсальными и используются в сетях, построенных по совершенно иным принципам.

Рис. 1.3. Схема построения сети Интернет

В некотором смысле Интернет возник эволюционно — в начале был Bitnet, fidonet, usenet и т.д. Со временем стало ясно, что конкуренция сетей должна быть заменена их объединением, так как от этого выигрывают все и пользователи и сервис-провайдеры. Ведь объединенная сеть имеет большие информационные ресурсы, может предложить более широкий список услуг и становится по этой причине привлекательной для еще большего числа клиентов.

Технология WWW-серверов сделала Интернет важной средой для целевой рекламы, приближенной к конечному потребителю. Стремительный рост числа узлов www продемонстрирован на рис. 1.4. Здесь также наблюдается экспоненциальный рост. Сам факт использования Интернет для обливания грязью кандидатов во время предвыборной компании, говорит о том, что эта технология освоена и признана эффективной нашими политиками. Наше общество с удивительным упорством сначала осваивают все негативное, оставляя, очевидно позитивное на десерт.

Рис. 1.4. Рост числа узлов WWW в период 1994-99 годы

В перспективе Интернет может стать и всемирной ярмаркой товаров и услуг. Ведь клиент может не только увидеть изображение товара и ознакомиться с условиями поставки, но и в диалоговом режиме получить ответы на интересующие его вопросы, а затем одним нажатием на клавишу мышки сделать заказ на понравившийся ему товар или услугу. В принципе для этого не нужен даже номер кредитной карточки, его заменит зашифрованный соответствующим образом идентификатор пользователя (сертификат) или его IP-адрес (если он работает на своей домашней машине). Таким образом, можно будет заказывать билеты на самолет или в театр, планировать программу своего телевизора на неделю вперед и т. д.

Современные системы мультимедиа позволяют совместить телевизор, видеомагнитофон, факс и видеотелефон, причем это не фантазия на тему далекого будущего — это услуги доступные уже сегодня (при наличии широкополосного канала связи (64-512 Кбит/с)). Если вы имеете доступ к Интернет, вам уже не нужно платить за международные телефонные переговоры, вы можете сделать это с помощью ip-phone или другого аналогичного продукта, при условии что ваш партнер также имеет доступ к Интернет (данное требование в ближайшем будущем перестанет быть обязательным). Все более широкий круг услуг предлагает Интернет и в сфере развлечений. Здесь имеются игровые серверы, аренда обычных и сетевых компьютерных игр, различные конкурсы и соревнования.

Теперь рассмотрим, как строятся каналы связи (стрелки на рис. 1.5). В простейшем случае связь можно организовать через городскую коммутируемую телефонную сеть, для этого нужны модемы — по одному на каждой из сторон канала (Рис. 1.5a). Традиционные модемы могут обеспечить при хорошем качестве коммутируемой аналоговой телефонной сети пропускную способность до 56 Кбит/с (кабельные широкополосные модемы при длине соединения порядка 2км могут обеспечить 2 Мбит/с). Привлекательность такого решения заключается в возможности подключения к любому узлу, имеющему модемный вход. Наиболее широко указанный метод связи используется для подключения к узлам Интернет домашних ЭВМ. Недостатком такого решения является низкая надежность канала (особенно в России), малая пропускная способность и необходимость большого числа входных телефонных каналов и модемов.

Использование выделенной 2- или 4-проводной линии (рис. 1.5Б) обеспечивает большую надежность и пропускную способность (до 256 кбит/с при длинах канала < 10 км). Но и здесь на каждый вход требуется отдельный модем, да и скоростные модемы, работающие на выделенную линию, относительно дороги. Выделенные линии чаще служат для межсетевого соединения (рис. 1.5В). Функциональным аналогом выделенных линий являются оптоволоконные, спутниковые и радио-релейные каналы. Этот вариант позволяет строить сети с пропускной способностью в несколько 1-100 Мбит/с и более.

Привлекательные возможности предлагают цифровые сети ISDN. Здесь можно использовать групповые телефонные номера, когда пара модемов обслуживает 10 и более пользователей (ведь они работают, как правило, не все одновременно). Кроме того, ISDN предлагает пользователям каналы с пропускной способностью не ниже 64кбит/c, а при необходимости возможно формирование и более широкополосных каналов. ISDN позволяет делить один и тот же канал между многими пользователями для передачи данных, факсов и телефонных переговоров. isdn органично стыкуется с внешними каналами X.25. К недостаткам системы следует отнести ограниченность ширины окна (число переданных пакетов без получения подтверждения приема), что делает неэффективным использование широкополосных и особенно спутниковых каналов. В области межсетевых связей свою нишу занимает Frame Relay. Этот протокол имеет контроль перегрузок, работающий на аппаратном уровне

Рис. 1.5. Схемы каналов, использующих городскую телефонную сеть

На рис. 1.5 показана схема построения сети с использованием исключительно соединений типа точка-точка. Это наиболее часто встречающийся, но не единственный вариант. Дорога ‘от околицы до околицы’ прокладывается там, где она нужна и теми, кому она нужна непосредственно, но, согласитесь, построить так магистраль Москва Санкт-Петербург нельзя. При построении крупных общенациональных и интернациональных сетей применяются сверхширокополосные каналы и схемы типа опорной сети (backbone). Узлы такой сети могут располагаться в каких-то крупных организациях или быть самостоятельными (принадлежать государственным PTT). Такие сети обычно базируются на протоколах SDH (Sonet). Информация в этих сетях передается в виде больших блоков (виртуальных контейнеров). Использование опорной сети обычно оправдано при организации интернациональных связей, но бывают и исключения. Примером такого исключения является Московская опорная сеть, построенная на основе FDDI (100Мбит/с) и объединяющая более десяти научных организаций (длина первой очереди около 30 км). Московская сеть выполнена по схеме с ‘прозрачными’ IP-мостами, обычно же более мощные опорные сети маршрутизируемы, то есть блоки данных адресуются конкретным узлам, где они разбираются и сортируются. Контейнер может содержать сообщения, адресованные разным получателям, что несколько противоречит идеологии протоколов TCP/IP. IP-пакеты могут вкладываться в эти контейнеры и транспортироваться до заданного узла опорной сети. Классическим примером опорной сети является E-bone (Европейская опорная сеть). Эта сеть объединяет 27 стран (России в этом списке нет) и более 60 сервис-провайдеров, пропускная способность для различных участков лежит в пределах 2-34Мбит/с. Опорная сеть подобна международной автомагистрали, по ней добираются до ближайшего к точке назначения узла, а далее по ‘проселочным’ каналам до конечного адресата.

Резкое увеличение передаваемых объемов информации в локальных и региональных сетях привело к исчерпанию имеющихся ресурсов, а реальные прогнозы потребностей указывают на продолжение роста потоков в десятки и сотни раз. Единственной технологией, которая способна удовлетворить эти потребности, являются оптоволоконные сети (Sonet, SDH, ATM, FDDI, Fiber Channel). Каналы этих сетей уже сегодня способны обеспечить пропускную способность 155-622 Мбит/с, ведутся разработки и испытания каналов с пропускной способностью в 2-20 раз больше, например, гигабитного ethernet. Осваивается техника мультиплексирования частот в оптоволокне (WDM), что позволяет поднять его широкополосность в 32 раза и в перспективе довести быстродействие каналов до 80 Гбит/с и более. По мере роста пропускной способности возрастают проблемы управления, синхронизации и надежности. Практически все сети строятся сегодня с использованием последовательных каналов. Это связано прежде всего со стоимостью кабелей, хотя и здесь существуют исключения (например, HIPPI). Разные сетевые услуги предъявляют разные требования к широкополосности канала. На рис. 1.6 представлены частотные диапазоны для основных видов телекоммуникационных услуг. В Интернет практически все перечисленные услуги доступны уже сегодня (кроме ТВ высокого разрешения). Стремительно развиваются распределенные системы вычислений (например, проект GREED), управления и информационного обслуживания. Современная технология микропроцессоров предполагает достижение быстродействия в 5 Гбит/с к 2003-4 годам (технология с характеристическим размером объектов на кристалле 80-130 нм).

Рис. 1.6. Требования к пропускной способности канала для различных видов сервиса.

Рассмотрев диаграмму, можно сделать определенные прогнозы на ближайшее будущее сетей. Через несколько лет можно ожидать слияния функций телевизора и ЭВМ, а это потребует пропускных способностей от магистральных каналов на уровне 0,1-10 Гбит/с. Широкополосность каналов, приходящих в каждый семейный дом составит 1-10 Мбит/с, что позволит реализовать видео-телефонию, цифровое телевидение высокого разрешения, доступ к централизованным информационным службам и многое другое. Уже существующие оптоволоконные системы обеспечивают и в 10 раз большую пропускную способность. Можно предположить и появление локальных сетей внутри жилища. Такие сети способны взять под контроль кондиционирование воздуха, безопасность дома в самом широком смысле этого слова, например, оповещение о нежелательном вторжении, пожаре или возможном землетрясении (в сейсмически опасных районах), появление вредных примесей в воздухе. Такая система разбудит хозяина в указанное время, подогреет завтрак, напомнит о предстоящих делах на день, запросит и предоставит хозяину свежий прогноз погоды и справку о состоянии дорог, своевременно сделает заказ на авиабилет и т.д. Все это технологически возможно уже сегодня, пока относительно дорого, но цены весьма быстро падают. Примером может служить сеть CAN, разработанная для сбора данных и управления автомобилем. Стремительное расширение сети Интернет не имеет аналогов в истории, так что любой самый фантастический прогноз в этой области может сбыться.

Протоколы Интернет (TCP/IP) существуют уже около 30 лет. Требования к телекоммуникационным каналам и услугам выросли, и этот набор протоколов не удовлетворяет современным требованиям. Появляются новые протоколы Delta-t (для управления соединением), NetBLT (для передачи больших объемов данных), VMTP (для транзакций; RFC-1045) и XTP для повышения эффективности передачи данных (замена TCP), блоки протоколов для работы с мультимедиа (RTP, RSVP, PIM, ST-II и пр.), но, безусловно, наиболее революционные преобразования вызовет внедрение IPv6.

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru