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.

2.6.1 Адресация ARPANET

Хотя детали адресации ARPANET и не важны, они иллюстрируют, как формируются адреса в глобальных сетях. В отличие от локальных сетей, таких как Ethernet или proNET-10, глобальные сети обычно вставляют в адрес информацию, помогающую сети эффективно пересылать пакеты к получателю. В ARPANET каждому коммутатору пакетов назначено уникальное число, P, а каждому порту ЭВМ на этом коммутаторе - число от 0 до N-1. Поэтому адрес назначения состоит из пары целых чисел, (P,N). На практике оборудование использует одно большое целое число, часть бит которого используется для представления N, а оставшиеся - для P.

2.7 Сети Национального Научного Фонда(NSF)

Понимая, что взаимодействие вскоре будет необходимой частью научных исследований, Национальный Научный Фонд создал Отдел Сетевых и Коммуникационных Исследований и Инфраструктуры, чтобы быть уверенным, что все необходимое для сетевого взаимодействия будет доступно ученым и инженерам США. Хотя этот отдел финансирует фундаментальные исследования в области сетей, его основной задачей является финансирование тех исследований, которые помогают расширять Интернет.

Расширения Интернета NSFом образуют трехуровневую иерархию, состоящую из новой национальной магистральной сети, группы сетей " среднего уровня" (или региональных), каждая из которых занимает определенный географический район, и группы сетей "университетских городков"(campus), или сетей доступа. В модели NSF сети среднего уровня присоединяются к магистральной сети, а сети университетских городков присоединяются к сетям среднего уровня. Исследователи соединяют свои компьютеры с сетью университетского городка. Они могут использовать это соединение для взаимодействия с компьютерами местных исследователей, подключенными к местной сети доступа, и они могут взаимодействовать с исследователями, находящимися дальше, так как их машина может отправить данные по местной локальной сети, сети среднего уровня и магистральной сети туда, куда ей нужно.

2.7.1 Старая магистральная сеть NSFNET

Из всех сетей, финансируемых NSF, магистральная сеть NSFNET имеет самую интересную историю и использует самую интересную технологию. Эта магистральная сеть в процессе своего развития прошла через три этапа; она увеличивалась в размерах и пропускной способности в то время, когда ARPANET приходила в упадок, пока наконец не стала доминирующей магистральной сетью Интернета. Первая версия ее была создана быстро, как временное решение. Одной из главных причин создания этой магистральной сети явилась необходимость обеспечения доступа ученым к суперкомпьютерам NSF. В результате первая сеть состояла из шести микрокомпьютеров LSI-11 фирмы DEC(их аналогами являются советские машины серии Электроника-60 и -85), размещенные в существующих суперкомпьютерных центрах NSF. Географически эта сеть занимала континентальную часть США от Принстона, штат Нью-Джерси, до Сан-Диего, штат Калифорния, и использовала выделенные линии со скоростью 56 Кбит/с.

В каждом месте на микрокомпьютере LSI-11 работало программное обеспечение, эффектно названное "летящий мячик" (точное происхождение этого термина выяснить не удалось). Разработанный Дейвом Миллзом, каждый "летящий мячик" взаимодействовал с компьютерами местного суперкомпьютерного центра, используя обычный интерфейс Ethernet. Он работал с выделенными линиями, связывающими его с "летящими мячиками" других суперкомпьютерных центров, используя контроллеры последовательных линий, которые применяли протоколы канального уровня производителя. "Летящие мячики" хранили таблицы адресов возможных получателей и использовали эти таблицы для направления каждого приходящего пакета к его получателю.

Основное место соединения между первоначальной магистральной сетью NSF и оставшейся частью Интернета находилось в университете Карнеги-Меллона, где имелся как узел сети NSFNET, так и PSN ARPANET. Когда пользователь, присоединенный к NSFNETу, посылал траффик в какое-либо место ARPANETа, его пакеты передавались по NSFNET в университет Карнеги-Меллона(CMU), где "летящий мячик" направлял их в ARPANET через местный Ethernet. Аналогично "летящий мячик" понимал, что пакеты, имеющие получателя в NSFNET, нужно принимать из Ethernetа и посылать по магистральной сети NSF в соответствующее место.

2.7.2 Вторая магистральная сеть NSFNET в 1988-1989 годах

Хотя пользователи были возбуждены возможностями компьютерного взаимодействия, пропускная способность первоначальной магистральной сети была слишком мала, чтобы обеспечить требуемый сервис. Спустя несколько месяцев после своего создания сеть оказалась перегруженной и ее создатель работал над быстрым решением навалившихся проблем, пока NSF не начала энергично разрабатывать вторую магистральную сеть.

В 1987 году NSF объявил, что ждет предложений от групп, которые хотели бы создать новую, более скоростную магистральную сеть. Предложения появились в августе 1987 и были оценены в конце этого года. 24 ноября 1987 года NSF заявил, что он выбрал предложение, представленное группой, в состав которой вошли MERIT Inc., компьютерная сеть штата, работающая в университете Мичигана в Ann Arbor, корпорация IBM, и MCI Incorporated. Эти партнеры предложили создать вторую магистральную сеть , разместить центр управления сетью в Ann Arbor и ввести эту сеть в строй к следующему лету. Так как NSF финансировал создание нескольких новых сетей среднего уровня, планировалось, что новая магистральная сеть будет обслуживать большее число узлов , чем старая. Каждая дополнительный узел должен был обеспечивать соединение между новой магистральной сетью и одной из сетей среднего уровня NSF.

Разделение труда между тремя партнерами складывалось приблизительно следующим образом: MERIT отвечал за планирование, установку и работу сетевого центра; IBM помогала машинами и людскими ресурсами из своих исследовательских лабораторий, чтобы помочь MERIT разработать, сконфигурировать и протестировать требуемое оборудование и программное обеспечение.; MCI, поставщик услуг по связи на дальние расстояния, обеспечивала коммуникационные ресурсы, используя уже имеющийся оптоволоконный кабель своей телефонной сети. Конечно, на самом деле существовало тесное сотрудничество между всеми компаниями, включавшее совместные исследовательские проекты и участие представителей IBM и MCI при разработке проекта.

К середине лета 1988 года оборудование было установлено и NSFNET начал использовать вторую магистральную сеть. Вскоре после этого первая магистральная сеть прекратила свою работу и была отсоединена.

Технология, выбранная для второй магистральной сети NSFNET, была довольно интересной. По существу магистральная сеть была глобальной сетью, состоящей из маршрутизаторов пакетов, соединенных между собой линиями связи. Как и в первой сети, маршрутизатор на каждом узле соединялся с локальным Ethernetом, а также с каналами связи, ведущими к другим узлам.

Вместо использования "летящих мячиков" или коммерческих маршрутизаторов новая магистральная сеть использовала специальные маршрутизаторы, созданные на основе нескольких обычных компьютеров, помещенных в одну большую комнату и соединенных между собой так, как показано на рисунке 2.11. То, что получилось, было названо узловой коммутационной системой(NSS). Функции NSS были аналогичны тому, что делал обычный маршрутизатор.

       Узловая коммутационная система
 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 |                                                             |
 |                                                             |
 |                           -------                           |
 |                           | RCP |                           |
 | соединение с              -------                           |
 | локальной сетью узла       |                                |
 |     -------     ___________|_________________       ------- |
 |<----|E-PSP|-----|  межпроцессорное          |-------|  AP | |
 |     -------     |  взаимодействие           |       ------- |
 |            -----|___________________________|------         |
 |            |                   |                   |        |
 |         -------              -------             -------    |
 |         |PSP 1|              |PSP 2|             |PSP n|    |
 |         -------              -------             -------    |
 |            |                   |                   |        |
 - - - - - - -|- - - - - - - -- - | - -- - - - - - - -|- - - - -
              |                   |                   |
                выделенные каналы связи к другим узлам 

Как показывает рисунок 2.11, NSS состоит из центрального механизма межпроцессорного взаимодействия и трех типов процессоров: Процессоров Коммутации Пакетов(PSP), Процессора Управления и Маршрутизации(RCP), и Процессора Приложений(AP). В первой реализации центральный механизм межпроцессорного взаимодействия был обычной локальной сетью(сетью IBM Token Ring), а процессорами были IBM RT-PC.

Концептуально каждый Процессор Коммутации Пакетов в NSS управляет одной из выделенных линий, ведущих от NSS к другому узлу. Физически выделенная линия соединяется с интерфейсом ввода-вывода на шине PSP. PSP выполняет две задачи: он принимает пакеты, которые приходят по сети межпроцессорного взаимодействия и передает их по своей выделенной линии, а также принимает пакеты, которые приходят по его выделенной линии и направляет их по сети межпроцессорного взаимодействия к выходящей линии(т.е. процессор управляет линией, по которой их нужно посылать). Так как Процессоры Коммутации Пакетов работают одновременно, NSS может маршрутизировать пакеты параллельно. NSS в целом можно считать мультипроцессорной системой, которая использует свои каналы межпроцессорного взаимодействия как шину.

Хотя NSS и имела возможность параллельной работы, самым важным была эффективность. Первоначальные выделенные линии работали со скоростью 448 Кбит/с, но конечной целью была работа Процессоров Коммутации Пакетов с линиями, работающими со скоростями от DS-1(1.544 Мбит/с) до DS-3(45 Мбит/с). При таких скоростях процессор имел лишь небольшой промежуток времени для выполнения вычислений над одним пакетом. Поэтому, чтобы эффективно принимать решения о маршруте пакета, PSP использовал обращение к таблице, аналогичное тому, которое описано в более поздних главах этой книги. Чтобы еще больше снизить вычислительную нагрузку, каждый NSS содержал дополнительные Процессоры Маршрутизации и Управления, которые использовались для вычисления новых таблиц маршрутизации, а также других управляющих функций NSS. Процессоры приложений выполняют другие задачи, такие как слежение за работой сети.

2.7.3 Магистральная сеть NSFNET в 1989-1990 годах

После проведения измерений траффика во второй магистральной сети NSFNET в течение года, управляющий центр переконфигурировал сеть, добавил некоторые каналы и удалив другие. Помимо этого, он увеличил скорость каналов до DS-1(1.544 Мбит/с).

2.7.4 Мультиплексирование и программируемые соединения

В то время как точная топология NSFNET несущественна, технология, используемая ею, представляет большой интерес. Как часть своего проекта, MERIT, IBM и MCI обещали исследовать новые способы как сделать сеть переконфигурируемой. Предлагаемый ими план является более интересным, чем другие сетевые планы, так как он предполагал участие в его реализации MCI, производителя, который предоставлял средства связи на большие расстояния.

Чтобы понять возможности реконфигурации, рассмотрим, что обычно происходит, когда заказчик обращается к производителю средств дальней связи, чтобы тот выделил ему цифровой канал связи. Хотя заказчик может думать, что провод соединяет напрямую нужные ему два места, производитель выбирает путь для этого канала, который использовал бы уже имеющиеся кабели. Например, производитель может соединить заказчика через локальную станцию, оттуда через ближайший большой город, где производитель имеет магистральные линии связи, по магистральным линиям до другого большого города вблизи получателя, и наконец через локальную станцию с нужным ему местом. Более того, при современной технологии производитель предоставляет отдельный физический канал. На самом деле электронное оборудование на одном конце магистрального оптоволоконного кабеля мультиплексирует (объединяет) несколько каналов в этом оптоволоконном кабеле, а оборудование на другом конце демультиплексирует (разделяет) их, делая возможным для производителя добавление или переконфигурацию каналов с помощью электронной аппаратуры. Поэтому каналы магистральной сети NSFNET мультиплексировались в уже имеющемся оптоволоконном кабеле, принадлежащем MCI.

Предложение MERIT/IBM/MCI привело к возникновению интересного вопроса: "Если бы пользователи имели возможность переконфигурировать каналы с помощью электронной аппаратуры, то как бы они улучшили при этом работу сети?" Одним из путей является следующий. Владелец сети может следить за сетевым траффиком в течение долгого времени, а затем переконфигурировать каналы, чтобы обеспечить прямой путь между парами узлов, генерирующих наибольший траффик. Помимо добавления каналов, которые нужны, динамическая реконфигурация может позволить пользователю сэкономить деньги, освободив его платы за прямые пути между парами узлов с маленьким траффиком. Конечно, нельзя переконфигурировать базовые каналы, не перевычислив путей для коммутации пакетов.

Если бы пользователи имели доступ к тем же самым средствам переконфигурации, что и производители, они могли бы не только удалять и создавать каналы, а сделать гораздо больше. Они могли бы настроить пропускные способности каналов так, как им это надо. Такая настройка может оказаться важной, так как она может сэкономить достаточно много денег на неиспользуемой пропускной способности, чтобы платить за дополнительную пропускную способность, когда она нужна. Рассмотрим, например, NSFNET. В 8 утра на восточном берегу пользователи приходят на работу и начинают генерировать траффик, поэтому требуется большая пропускная способность для каналов, соединенных с машинами, находящимися на востоке. Тем временем, на западном берегу большинство пользователей еще спит, поэтому для каналов, соединенных с машинами на западном берегу, требуется меньшая пропускная способность. По мере того, как начинается день, пропускной способности следует постепенно смещаться к каналам западного берега. Поздним вечером, когда пользователи уходят из своих офисов на востоке, каналам западного берега требуется наибольшая пропускная способность.

С точки зрения производителя, предоставление пользователям возможности менять пропускную способность канала означает, что пользователи платят за фиксированную пропускную способность базовой физической сети, но они тем не менее могут выделить себе требуемую часть этой пропускной способности. Рисунок 2.14 иллюстрирует эту идею.

Как показывает рисунок 2.14, пользователь, который платит за пропускную способность Т в базовой физической сети, может выбрать, как разделить эту пропускную способность между нескольких каналов. Конечно, при конфигурации пропускной способности отдельных каналов пользователь должен быть уверен, что в любой точке физического кабеля суммарная величина пропускной способности не превышает Т. Главным недостатком такой схемы является то, что для того чтобы сделать корректное распределение пропускной способности, пользователь должен знать как топологию физической сети, так и пути в этой сети, назначенные его каналам.

  Пропускная способность Т, выделенная в физической сети
  -------------------------------------------------------------
           ---------------------------------------
          |   ---------------    --------------   |
          |  |               |  |              |  |
  ------  |  |  -----------  |  |  ----------  |  |  ----------
        | |  | |           | |  | |          | |  | |
        | |  | |           | |  | |          | |  | |
        | |  | |           | |  | |          | |  | |
      ============       ============      ============
      |  Узел 1  |       |  Узел 2  |      |  Узел 3  |
      |          |       |          |      |          |
      |          |       |          |      |          |
      ============       ============      ============
          |  |               |  |              |  |
          C  A               A  B              B  C 

2.7.5 Сети среднего уровня NSFNET

NSF финансировал большое число сетей среднего уровня, которые были расположены почти в каждом штате. Типичная сеть среднего уровня включает от 10 до 30 университетов и корпораций, находящихся в данной географической области. Первоначальной целью NSF было покрыть издержки, а затем поддерживать самодостаточность, позволив каждой сети среднего уровня работать в условиях финансовой и административной автономии. Хотя некоторые сети среднего уровня добились финансовой независимости, другие обнаружили, что это довольно трудно сделать. Управляющие сетей среднего уровня образовали Федерацию Академических Исследовательских сетей(FARNET) для координации технических работ и лоббировать дополнительную правительственную поддержку.

Каждая сеть среднего уровня может выбрать технологию, которую она считает наилучшей; NSF обеспечивает доступ сети среднего уровня к остальному Интернету через магистральную сеть NSFNET. Большинство сетей среднего уровня используют выделенные линии точка-точка для соединения своих узлов, похожие на то, с помощью которого они соединяются с магистральной сетью NSFNET; почти все планируют со временем перейти на более скоростные линии.

2.7.6 Сети доступа NSFNET

Семейство сетей среднего уровня NSF включает пеструю коллекцию сетей доступа. Некоторые из них финансируются как экспериментальные сети, использующие новые технологии( например, спутниковый мост), в то время как другие финансируются, чтобы обеспечить доступ к суперкомпьютерам конкретной исследовательской группе. Во второй категории каждый суперкомпьютерный центр включает консорциум исследовательских групп, которые соединяются с ним по выделенным каналам. Этот консорциум иногда включает узлы, находящиеся на большом расстоянии друг от друга, что делает эти так называемые сети консорциумов достаточно широкими.

2.7.7 Сети университетских городков NSFNET

Третий ярус семейства сетей состоит из сетей университетских городков, которые присоединяются к сетям среднего уровня. NSF решило сконцентрировать выделяемые ею средства на магистральной сети и сетях среднего уровня, дав университетам и корпорациям свободу выбора в вопросе сетевой стратегии. Большинство исследовательских институтов уже имеют сеть в каждом городке; более маленькие корпорации и школы только начинают рассматривать такую возможность. Используемые технологии варьируются от простых локальных сетей до сложных сетевых связей с магистральными сетями, работающих с гигабитными скоростями.

2.8 Другие технологии, над которыми использовался TCP/IP

Одна из причин силы TCP/IP заключена в разнообразии физических сетевых технологий, над которыми он может использоваться. Мы уже рассмотрели несколько широко используемых технологий, включая локальные и глобальные сети. Эта секция кратко рассмотрит другие, которые помогут проиллюстрировать важный принцип:

Большая часть успеха протоколов TCP/IP объясняется их способностью согласования почти с любой из базовых коммуникационных технологий.

2.8.1 X25NET

CSNET(CSNET и BITNET слились; новая организация - CREN), организация образованная в 1980 для поддержки Интернета в промышленных и малых школах, использовала технологию X25NET для соединения некоторых пользователей с Интернетом. Первоначально разработанная в университете Пурдью, X25NET позволяла протоколам Интернета работать в Общественных Сетях Данных(PDN). Такой подход должен был позволить организациям, для которых было неприемлемо прямое соединение с ARPANET, заказывать сетевое соединение у фирмы-поставщика средств дальней связи(например, AT&T) и использовать его для передачи траффика Интернета.

Читатели, которые знают об общественных сетях с коммутацией пакетов, могут найти X25NET странной, так как такие сети используют только протоколы МККТТ Х.25, в то время как Интернет использует протоколы TCP/IP. Тем не менее, когда она используется для транспортировки траффика TCP/IP, сеть Х.25 просто обеспечивает путь, по которому может быть передан траффик Интернета. Мы уже установили, что многие базовые технологии могут использоваться для передачи траффика Интернета. Эта технология, иногда называемая туннельная передача(tunneling), просто означает, что сложная сеть со своими собственными протоколами рассматривается как еще одна аппаратная система доставки пакетов. Чтобы послать траффик TCP/IP по туннелю Х.25, надо установить соединение Х.25, а затем послать пакеты TCP/IP, как будто это данные. Система Х.25 передаст пакеты по соединению и доставит их в другую точку Х.25, где они должны быть собраны и отправлены к своему истинному назначению. Так как туннелирование рассматривает пакеты как данные, оно не обеспечивает самоидентифицирующиеся кадры. Поэтому, оно работает только в том случае, когда оба конца соединения Х.25 заранее договорились о том, что они будут передавать пакеты Х.25.

Что делает Х.25 особенным, так это его интерфейс. В отличие от большинства сетевого оборудования протоколы Х.25 обеспечивают надежный поток передаваемых данных, иногда называемый виртуальным каналом, между отправителем и получателем, в то время как протоколы Интернета предназначены для системы доставки пакетов, что делает их несовместимыми.

Представление о соединениях Х.25, как о путях доставки, приводит к интересному приему. Оказывается, что сети Х.25 показывают гораздо лучшую пропускную способность при нескольких одновременно открытых соединениях. Поэтому, вместо открытия одного соединения с данным местом доставки, отправитель Х25NET часто открывает несколько соединений и распределяет пакеты между ними для улучшения производительности. Получатель принимает пакеты со всех соединений Х.25 и снова объединяет их вместе.

Схема адресации, используемая сетями Х.25, определена в стандарте, известном как Х.121. Каждый из физических адресов Х.121 является числом из 14 цифр, в котором 10 цифр назначаются производителем, который обеспечивает средство сети Х.25. Напоминая телефонные номера, одна из популярных схем назначения номеров производителями включает код области, основанный на географическом положении. Такой подход не удивителен, так как он был предложен организацией, определяющей международные телефонные стандарты. К сожалению, эта схема неудобна, так как затрудняет назначение Интернетовских адресов. Пользователи, использующие X25NET, должны хранить таблицу отображения Интернетовского адреса в адрес Х.25 и обратно. Глава 6 рассматривает проблему отображения адресов более детально и дает альтернативу использованию фиксированных таблиц.

Так как общественные сети Х.25 работают независимо от Интернета, должно существовать место соединения между ними. Как DARPA, так и CSNET используют специально выделенные машины для обеспечения соединения между Х.25 и ARPANET. Основное соединение известно как VAN-шлюз. Этот шлюз поддерживает соединения Х.25 и маршрутизирует приходящий траффик Интернета к его получателям. X25NET является важной, так как она иллюстрирует гибкость и адаптируемость протоколов TCP/IP. В частности, она показывает, как туннельная передача делает возможным использование очень широкого диапазона сложных сетевых технологий в межсетевой среде.

2.8.2 Cypress

Большинство сетевых технологий, которые мы рассмотрели, достаточно дороги. Но в число тех, кому нужен доступ к Интернету, входят не только большие институты, напрямую соединенные с главными магистральными сетями, такими как NSFNET; доступ к нему нужен также маленьким школам и просто отдельным людям. Маленькие институты не могут позволить себе высокоскоростные выделенные линии, или оборудование, соединяющее с ними. Cypress предназначен для удовлетворения потребности в доступе с помощью дешевой низкоскоростной технологии TCP/IP.

Cypress состоит из миникомпьютеров, соединенных низко- или среднескоростными выделенными линиями(от 9.6 Кбит/с до 56 Кбит/с). Каждый миникомпьютер размещается в пользовательском узле, где он соединен с локальной вычислительной средой с помощью ЛВС Ethernet. С остальной частью Cypress он соединяется по выделенным последовательным линиям. Как минимум один узел в сети Cypress соединен с Интернетом и передает траффик между сетью Cypress и остальной частью Интернета.

Первоначально Cypress разрабатывался для топологии типа "виноградная кисть", в которой каждый новый узел соединялся последовательной линией с ближайшим к нему узлом. Преимуществом использования такой топологии была ее дешевизна; недостатком была большая величина паузы при передаче, становящаяся значительной для траффика, который передавался через несколько промежуточных машин. Топология Cypress была изменена по двум причинам:во-первых, NSFNET значительно увеличил число потенциальных точек соединения с Интернетом, и во-вторых, большинству пользователей показалось, что лучше платить больше, но иметь меньшие паузы при передаче. Поэтому сеть Cypress приняла вид одного концентратора, размещенного в университете Пурдью, который был соединен с NSFNET.

Cypress основывался на нескольких ключевых идеях. Во-первых, для достижения дешевизны Cypress объединяет возможности, используя один компьютер для выполнения нескольких задач. Во-вторых, как и Ethernet, протоколы Cypress используют негарантированную доставку, не делая попыток исправить ошибки или восстановить потерянные пакеты на канальном уровне. Следующие главы объяснят, почему негарантированная доставка работает хорошо в среде TCP/IP. В-третьих, Cypress работает как сеть, а не как набор выделенных линий точка-точка. В-четвертых, Cypress соединен с сетями в узлах его пользователей, а не просто с машинами. Поэтому большое количество хостов в узле пользователя могут использовать соединение Cypress, рассматривая его как путь остальной части Интернета. В-пятых, Cypress позволяет своим маршрутизаторам быть управляемыми с любого узла в Интернете, так как он использует IP для передачи информации об их состоянии. Миникомпьютеры, составляющие сеть Cypress, называются имплетами(implet), и каждый имплет обеспечивает три концептуальные функции в одной машине. На самом нижнем уровне, имплет работает как маршрутизатор пакетов, принимая пакеты из последовательных линий и направляя их к их получателю, используя при этом аппаратные адреса в кадре для выбора маршрута. На следующем уровне, имплет соединяет две сети, локальный Ethernet в узле пользователя и сеть Cypress. На самом высоком уровне имплет является компьютером общего назначения, который выполняет программы управления сетью и слежения за ней как пользовательские процессы.

Помимо своего технического вклада в сетевые технологии, Cypress демонстрирует три важных идеи. Во-первых, он иллюстрирует, почему сетевую скорость нужно рассматривать как меру пропускной способности. Узлы с небольшим траффиком воспринимают Cypress как адекватную, надежную технологию соединения между ними. В нем низкие скорости не означают ограниченных возможностей. Во-вторых, Cypress показывает, что протоколы Интернета хорошо работают в системах с негарантированной доставкой с простыми протоколами канального уровня. В-третьих, Cypress показывает, что разработка программного обеспечения для управления и слежения за сетью с использованием протоколов Интернета делает слежение гибким, а исправление отказов оборудования легким.

2.8.3 Коммутируемый(dial-up) IP

Другой интересный способ использования TCP/IP, освоенный CSNET, включает работу протоколов TCP/IP в коммутируемой телефонной сети. Узлы CSNET, использующие Интернет редко, могут быть не в состоянии платить за выделенные линии. Для этих узлов CSNET разработал систему коммутируемого IP, которая работает следующим образом: всякий раз, когда нужно соединение, программное обеспечение в узле пользователя использует модем для создания соединения с концентратором(hub) CSNET через телефонную сеть. Компьютер в концентраторе отвечает на телефонный вызов и, после получения подтверждения подлинности пользователя, передает траффик между этим узлом и другими компьютерами Интернета.

2.8.4 Пакетное радио

Один из самых интересных экспериментов DARPA в области коммутации пакетов привел к созданию технологии, которая использовала широковещание по радио для передачи пакетов. Разработанное для военных условий, в которых станции могут быть мобильными, пакетное радио включает оборудование и программное обеспечение, которое позволяет узлам находить другие узлы, устанавливать соединение точка-точка, а затем использовать это соединение для передачи пакетов. Так как узлы меняют свое географическое положение и могут выходить за границы связи, система должна постоянно контролировать связность и перевычислять пути для отражения изменений в топологии. Рабочая система пакетного радио была создана и использовалась для демонстрации соединения TCP/IP между удаленным узлом пакетного радио и другими узлами Интернета.

2.9 Итоги и выводы

Мы рассмотрели несколько технологий работы сетевого оборудования, используемых протоколами TCP/IP, которые лежат в диапазоне от высокоскоростных ЛВС, таких как Ethernet и proNET-10, до более медленных глобальных сетей, таких как ARPANET и Cypress. Мы также увидели, что протоколы TCP/IP могут работать над другими протоколами сетей общего пользования, используя технологию, названную туннельной передачей. В то время как детали конкретных сетевых технологий не важны, общая идея заключается в следующем:

Протоколы TCP/IP являются крайне гибкими в том отношении, что почти любая базовая технология может использоваться для передачи траффика TCP/IP.

Для дальнейшего изучения

• Ранние компьютерные системы связи использовали соединение точка-точка, часто применяя оборудование общего пользования для передачи по последовательным линиям, которое описывает McNamara[1982]. Metcalf и Boggs[1976] вводят понятие о прототипе Ethernetа, работающем со скоростью 3 Мбит/с. Digital[1980] описывает стандарт 10 Мбит/с, принятый многими производителями, а стандарт IEEE 802.3 описан у Nelson[1983]. Shoch, Dalal и Redell[1982] дают историческую перспективу эволюции Ethernetа. Аналогичная работа по сети ALOHA есть у Abramson[1970], а обзор технологий дан Cotton[1979].
• Технология передачи маркера по кольцу была предложена Farmer и Newhall[1969]. Miller Thompson[1982], а также Andrews и Shultz[1982], дают современные обзоры. Другая альтернатива, сети со слотовым кольцом, была предложена Pierce[1972]. Для сравнения технологий читайте Rosenthal[1982].
• Детали проекта второй магистральной сети NSFNET можно найти в MERIT[November 1987]. Comer, Narten и Yavatkar[1987] впервые предложили использовать технологию создания мультипроцессорного маршрутизатора на основе шины локальной сети; это было сделано независимо от проекта второй магистральной сети NSFNET.
• Для большей информации об ARPANET смотрите Cerf[1989] и BBN[1981]. Идеи, лежащие в основе X25NET, обобщены в Comer и Korb[1983], а Cypress описана в Comer, Narten и Yavatkar[April 1987]. Lanzillo и Partridge[January 1989] описывают коммутируемый IP.
• Quaterman и Hoskins[1986] дают обзор основных глобальных компьютерных сетей; Quaterman[1990] содержит их обновленный список и дает более детальное описание. LaQuey[1990] содержит список адресов пользователей компьютерных сетей.

Упражнения

2.1 Установите, какие сетевые технологии использует ваш узел.

2.2 Каков максимальный размер пакета, который может быть послан по высокоскоростной сети, такой как HyperChannel NSC или UltraNet Ultra Network Technologies?

2.3 В чем заключаются преимущества и недостатки туннельной передачи?

2.4 Прочитайте стандарт Ethernetа, чтобы найти точную информацию о паузе(gap) между пакетами и размере преамбулы.

2.5 Какая характеристика спутникового коммуникационного канала является наиболее желательной ? А наименее желательной ?

2.6 Установите нижнюю границу времени, которое занимает передача 5 мегабайтного файла по сети, которая работает со скоростями: 9600 бит/с, 56 Кбит/с, 10 Мбит/с, 100 Мбит/c и 2 Гбит/с.