Эндрю Таненбаум, Ник Фимстер, Дэвид Уэзеролл

Компьютерные сети. 6-е изд.. — СПб.: Питер, 2023.

ISBN 978-5-4461-1766-6

© ООО Издательство "Питер", 2023

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.  

1 Поисковик, впоследствии ставший службой каталогов для поисковой системы AltaVista.

1.1.1. Доступ к информации

Доступ к информации осуществляется разными способами. Веб-браузер — основной инструмент доступа к интернету. Он позволяет извлекать данные с различных сайтов, включая набирающие популярность соцсети. Сегодня мобильные приложения на смартфонах также предоставляют удаленный доступ к информации на всевозможные темы. Искусство, бизнес, кулинария, госуправление, здоровье, история, хобби, развлечения, наука, спорт, путешествия... Всего не перечислить (а некоторые темы и не стоит упоминать).

Большинство СМИ также мигрировали в интернет, а некоторые даже полностью отказались от бумажной версии. Доступ к информации, включая новости, все более персонализируется. Некоторые интернет-СМИ дают читателю возможность самому выбрать интересующие его темы. Например: коррумпированные политики, масштабные пожары, скандалы с участием знаменитостей и эпидемии, но не, скажем, футбол. Подобная тенденция определенно угрожает заработку 12-летних разносчиков газет — интернет позволяет распространить новости на гораздо более широкую аудиторию.

Отбор новостей также все чаще происходит в социальных сетях. Они позволяют публиковать новостной контент из самых разнообразных источников и делиться им с другими пользователями. Новости сортируются и персонализируются не только в соответствии с выбором конкретного пользователя, но и на основе сложных алгоритмов машинного обучения. Алгоритмы прогнозируют предпочтения на основе истории просмотра. Публикация в интернете и подбор контента в соцсетях порождают финансовую модель, которая во многом зависит от таргетированной поведенческой рекламы. Разумеется, это требует сбора данных о поведении отдельных пользователей. Иногда такая информация используется неправомерно.

Сегодня онлайн-библиотеки и интернет-магазины содержат электронные версии изданий, от научных журналов до книг. Многие профессиональные объединения, такие как ACM (Association for Computing Machinery — Ассоциация по вычислительной технике; www.acm.org) и IEEE Computer Society (Общество специалистов по вычислительной технике IEEE; www.computer.org), уже давно оцифровали и выложили в интернет все свои журналы и труды конференций. В один прекрасный день бумажные книги могут стать архаизмом, уступив место электронным книгам и онлайн-библиотекам. Скептикам стоит сравнить этот процесс с эффектом, который оказало изобретение печатного станка на средневековые иллюстрированные рукописи.

Доступ к значительной доле информации в интернете производится посредством модели «клиент-сервер». Клиент явным образом запрашивает информацию с хранящего ее сервера, как показано на илл. 1.1.

Илл. 1.1. Сеть, включающая два клиента и один сервер

Модель «клиент-сервер» используется очень широко, на ней основана большая часть сетевых приложений. Наиболее распространенная реализация этой модели — веб-приложение. Сервер генерирует веб-страницы на основе своей базы данных в ответ на запросы клиентов. Эти запросы, в свою очередь, пополняют базу данных сервера. Такая модель применима не только когда клиент и сервер физически находятся в одном здании (и принадлежат одной компании), но и когда они удалены на значительное расстояние. Например, пользователь у себя дома обращается к странице во Всемирной паутине. В этом случае его домашний компьютер играет роль клиента, а удаленный веб-сервер — сервера. Как правило, один сервер способен обслуживать большое число (сотни или тысячи) клиентов одновременно.

В первом приближении в модели «клиент-сервер» участвуют два процесса (работающие программы), один на компьютере пользователя, а второй — на сервере. Связь между ними происходит путем отправки клиентским процессом по сети сообщения серверному процессу. Далее клиентский процесс ожидает ответного сообщения. При получении запроса серверный процесс производит требуемые действия или находит запрашиваемые данные, после чего отправляет ответ. Эти сообщения показаны на илл. 1.2.

Илл. 1.2. Модель «клиент-сервер» включает запросы и ответы

Еще одна популярная модель доступа к информации — одноранговая, или пиринговая (peer-to-peer), связь (Парамешваран и др.; Parameswaran et al., 20013). При таком виде связи пользователи, образующие не слишком тесно связанную группу, могут обмениваться сообщениями с другими ее участниками, как показано на илл. 1.3. По сути, каждый из них может взаимодействовать с одним или несколькими людьми; никакого четкого деления на клиенты и серверы нет.

Илл. 1.3. В одноранговой системе отсутствует деление на клиенты и серверы

Во многих одноранговых системах, например BitTorrent (Коэн; Cohen, 2003), отсутствует централизованная база данных контента. Вместо этого каждый пользователь поддерживает свою локальную базу данных, а также список остальных участников системы. Новый пользователь может обратиться к любому участнику системы, чтобы получить его контент и имена остальных пользователей (для поиска дополнительного контента и прочих имен). Процесс поиска можно повторять бесконечно, создавая обширную локальную базу данных. Для людей подобная деятельность утомительна, но компьютеры справляются с ней на ура.

Одноранговые системы связи часто применяются для распространения музыки и видео. Пик их популярности пришелся на 2000-е годы, с появлением сервиса обмена музыкой Napster, закрытого после грандиозного скандала по поводу нарушения авторских прав; см. Лам и Тань (Lam and Tan, 2001) и Македония (Macedonia, 2000). Сегодня существуют законные способы применения пиринговой связи. В их числе обмен музыкой, являющейся общественным достоянием, обмен семейными фотографиями и видео, а также скачивание пользователями общедоступных пакетов программного обеспечения. Кстати, одно из наиболее популярных интернет-приложений — электронная почта — по сути является одноранговой системой. Данный вид связи, вероятно, в будущем станет применяться еще более широко.

1.2.1. Сети широкополосного доступа

В 1977 году президентом Digital Equipment Corporation (на тот момент второго по величине производителя компьютеров в мире после IBM) был Кен Олсен (Ken Olsen). Когда его спросили, почему Digital не стремится завоевать рынок персональных компьютеров, он сказал: «Не вижу никакой причины, зачем кому-то держать компьютер дома». Однако история доказала обратное, и Digital канула в Лету. Изначально люди покупали компьютеры для работы с документами и игр. Сегодня же основная причина покупки домашнего компьютера — доступ в интернет. Кроме того, многие бытовые электроприборы (например, ТВ-тюнеры, игровые консоли, телевизоры и даже дверные замки) содержат встроенные компьютеры с возможностью доступа к компьютерным сетям, в первую очередь беспроводным. Кроме того, домашние сети широко используются для развлечений, включая прослушивание музыки, просмотр фото и видео, а также создание контента.

Доступ в интернет предоставляет домашним пользователям возможность подключения (connectivity) к удаленным компьютерам. Как и в случае с компаниями, домашние пользователи могут просматривать информацию, общаться с другими людьми, а также покупать товары и услуги. Главное преимущество состоит в возможности подключения этих устройств к другим компьютерам, находящимся за пределами дома. Боб Меткалф (Bob Metcalfe), создатель Ethernet, выдвинул гипотезу, что полезность сети пропорциональна квадрату числа ее пользователей, поскольку оно приближенно равно числу возможных соединений (Гилдер; Gilder, 1993). Эта гипотеза известна под названием «Закон Меткалфа». Она объясняет, как колоссальная популярность интернета связана с его размером.

Сегодня число широкополосных сетей доступа быстро растет. Во многих уголках мира домашний широкополосной доступ предоставляется с помощью медных проводов (например, линий телефонной связи), коаксиальных кабелей (в качестве примера можно привести кабельное ТВ/интернет) или оптоволоконной связи. Скорость широкополосного доступа в интернет также продолжает расти. Многие провайдеры в развитых странах обеспечивают для домашних пользователей скорость 1 Гбит/с. В некоторых регионах, особенно в развивающихся странах, основной вид доступа в интернет — через мобильные сети.

1.3.1. Персональные сети

Персональные сети (PAN, Personal Area Network) обеспечивают обмен информацией между устройствами, используемыми одним человеком. Типичный пример — беспроводная сеть, связывающая компьютер с его периферийными устройствами. PAN используются для подключения беспроводных наушников, гарнитуры или часов к смартфону. Также они позволяют установить соединение между автомобилем и цифровым музыкальным плеером, как только устройство попадает в радиус действия сети.

Почти у каждого компьютера имеется несколько периферийных устройств: монитор, клавиатура, мышь и принтер. Если бы не беспроводные сети, все эти подключения пришлось бы выполнять при помощи кабелей. Для неопытного пользователя поиск нужных проводов и соответствующих им разъемов может стать настоящей проблемой (хотя обычно они различаются формой и цветом). По этой причине большинство поставщиков компьютеров предлагают услугу вызова мастера на дом. Чтобы помочь таким пользователям, несколько компаний объединились и разработали беспроводную сеть малого радиуса действия под названием Bluetooth. Идея в том, чтобы больше не нужно было возиться с проводами. Если все ваши устройства поддерживают Bluetooth, достаточно просто включить их, положить рядом, и они сами установят соединение друг с другом. Для многих людей такая простота в эксплуатации — большое преимущество.

В самом простом варианте Bluetooth-сети используют парадигму «главный — подчиненный» («master — slave»), приведенную на илл. 1.6. Системный блок (ПК) обычно играет роль главного узла и взаимодействует с мышью или клавиатурой, играющими подчиненную роль. Главный узел сообщает подчиненным, какие адреса использовать, когда и в течение какого промежутка времени осуществлять передачу данных, какие частоты использовать и т.д. Мы обсудим Bluetooth подробнее в главе 4.

Илл. 1.6. Конфигурация персональной сети на основе Bluetooth

Для создания PAN используется множество других технологий ближнего радиуса действия; они также представлены в главе 4.

1.4.1. Интернет

Интернет представляет собой обширное собрание сетей, использующих некоторые общие протоколы и предоставляющих определенные общие сервисы. Необычность этой системы в том, что она не была задумана и не контролируется какой-либо одной организацией. Чтобы лучше разобраться в устройстве интернета, начнем с истоков и выясним, как он был создан и почему. История создания интернета замечательно описана в книге Джона Нотона (John Naughton, 2000). Это одна из редких книг, которые не только интересны простому читателю, но и содержат при этом 20 страниц ссылок на серьезные исследования. Некоторые материалы в данном разделе основаны на этой книге. Более актуальная история интернета представлена в книге Брайана Маккалоу (Brian McCullough, 2018).

Конечно, интернету, его истории и протоколам также посвящен гигантский массив технической литературы. Больше информации можно найти, например, в работе Северанса (Severance, 2015).

1.5.1. Цели проектирования

У разных сетевых протоколов зачастую схожие цели проектирования: надежность (способность восстанавливаться после ошибок, сбоев или отказов); распределение ресурсов (совместное использование общего ограниченного ресурса); способность к развитию (поэтапное развертывание усовершенствованных версий протокола с течением времени); безопасность (защита сети от различных типов атак). Рассмотрим в общих чертах все эти цели.

1.6.1. Эталонная модель OSI

Модель OSI (за исключением физической среды) показана на илл. 1.32. В основе этой модели лежит проект, разработанный Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO). Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов, используемых на различных уровнях (Дэй и Циммерман; Day & Zimmermann, 1983). Модель была пересмотрена в 1995 году (Дэй; Day, 1995) и получила название эталонной модели взаи­модействия открытых систем ISO (ISO OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model). Она описывает вопросы соединения открытых систем, то есть таких, которые открыты для обмена информацией с другими системами. Для краткости мы будем называть ее моделью OSI.

Модель OSI включает 7 уровней, выделенных согласно следующим принципам:

1.7.1. Стандартизация и открытый исходный код

Существует множество разработчиков и поставщиков сетевых технологий, и каждый имеет свое представление о том, что и как делать. Без согласования наступил бы полный хаос и пользователи не смогли бы работать. Единственный способ решения этой проблемы — прийти к соглашению относительно сетевых стандартов. Хорошие стандарты не только позволяют различным компьютерам обмениваться информацией, но и расширяют рынок для соответствующих им продуктов. Наращивание рынка ведет к массовому производству, масштабной экономии при разработке, улучшению реализаций и другим преимуществам, снижающим цену и повышающим популярность продукта.

В этом разделе мы вкратце обсудим важный, но мало кому известный мир международной стандартизации. Но сначала поговорим о том, что содержит стандарт. Любой здравомыслящий человек предположил бы, что стандарт описывает, как должен работать протокол, чтобы можно было осуществить хорошую реализацию. И ошибся бы.

Стандарты описывают, что требуется для совместимости с другими продуктами — ни больше ни меньше. Это способствует расширению рынка и росту конкуренции между компаниями на основе качества программных продуктов. Например, стандарт 802.11 описывает несколько скоростей передачи данных. При этом он не указывает, при каких обстоятельствах отправитель должен использовать конкретную скорость, что является ключевым фактором для высокой производительности. Это решение отдается на откуп создателю продукта. Зачастую обеспечить совместимость при таком подходе непросто, ведь существуют разные стандарты, в которых описано множество способов реализации. Например, в случае 802.11 существует столько проблем, что отраслевая группа Wi-Fi Alliance приступила к работе над совместимостью внутри стандарта 802.11. Что касается программно-определяемых сетей, ONF (Open Networking Foundation) пытается разработать как стандарты, так и их реализации с открытым исходным кодом, чтобы гарантировать совместимость протоколов управления с программируемыми сетевыми коммутаторами.

Стандарт задает протокол передачи данных, но не внутренний интерфейс службы (разве что в качестве пояснений к протоколу). Существующие интерфейсы служб обычно защищены патентами. Например, для обмена информацией с удаленным хостом интерфейс между TCP и IP не имеет значения. Важно только то, что удаленный хост понимает TCP/IP. На самом деле TCP и IP часто реализуются вместе, без какого-либо четкого интерфейса между ними. Тем не менее хорошие интерфейсы служб, как и продуманные API (Application Programming Interfaces — программные интерфейсы приложений), важны для использования протоколов, а лучшие из них (например, сокеты Беркли) приобретают большую популярность.

Стандарты делятся на две категории: де-факто и де-юре. Стандарты де-факто (от лат. «фактически») просто возникают сами собой, без какого-либо предварительного плана. HTTP, составляющий основу интернета, появился в качестве стандарта де-факто. Он был включен в первые веб-браузеры, разработанные Тимом Бернерсом-Ли (Tim Berners-Lee) в ЦЕРН, и широко распространился с ростом интернета. Еще один пример — Bluetooth, разработанный компанией Ericsson и теперь используемый повсеместно.

Внедрение стандартов де-юре (от лат. «юридически», «согласно праву»), напротив, происходит на основе правил, описанных неким официальным комитетом стандартизации. Органы международной стандартизации делятся на два класса. Они либо создаются на основе межправительственного договора, либо входят в общественные организации, не связанные государственными соглашениями. В сфере стандартов сетей существует несколько организаций каждого типа, в частности ITU, ISO, IETF и IEEE, которые мы обсудим ниже.

На практике взаимосвязи между стандартами, компаниями и комитетами по стандартизации сильно запутаны. Стандарты де-факто часто превращаются в стандарты де-юре, особенно если они успешны. Так было в случае с HTTP, который был быстро подхвачен IETF. Комитеты по стандартизации часто ратифицируют стандарты друг друга, чтобы увеличить долю рынка для конкретной технологии. Сегодня важную роль в разработке и уточнении сетевых стандартов играют многочисленные коммерческие союзы, сформировавшиеся вокруг конкретных технологий. Например, консорциум 3GPP (Third Generation Partnership Project) начался с сотрудничества ассоциаций по телекоммуникации, занимавшихся внедрением стандартов подвижной телефонной связи UMTS 3G.

1.8.1. Свобода слова в интернете

Социальные сети, форумы, сайты обмена контентом и множество других ресурсов позволяют людям делиться своими взглядами с единомышленниками. До тех пор пока тематика общения ограничивается техническими вопросами или увлечением садоводством, особых проблем не возникает.

Неприятности начинаются при обсуждении действительно острых вопросов — политики, религии или секса. Мнение, публично высказанное одним человеком, может быть крайне оскорбительным для другого. Кроме того, различные платформы позволяют обмениваться не только текстом, но и цветными фотографиями в высоком разрешении и видеороликами. Некоторые публикации нарушают закон, например, когда речь идет о детской порнографии или подстрекательстве к терроризму.

Возможность публикации незаконных или оскорбительных материалов в соцсетях и на так называемых платформах пользовательского контента вызвала серьезный вопрос: ответственность этих площадок за модерацию. В течение долгого времени Facebook, Twitter, YouTube и другие платформы пользовались относительным иммунитетом от судебного преследования за размещенный контент. В США, например, такую защиту обеспечивал раздел 230 Закона «О соблюдении приличий в коммуникациях» (Communications Decency Act). Многие годы социальные сети называли себя всего лишь инструментом для обмена информацией подобно печатному станку и утверждали, что они не должны отвечать за опубликованные материалы. Впрочем, поскольку эти платформы все более активно отбирают, ранжируют и персонализируют контент для пользователей, этот аргумент постепенно теряет силу.

Как в США, так и в Европе чаша весов постепенно склоняется в другую сторону. Принимаются законы, признающие ответственность сайтов за определенные виды незаконного контента, например связанного с предложением секс-услуг. Совершенствуются автоматические алгоритмы классификации публикаций на основе машинного обучения. Это приводит к попыткам возложить на социальные медиаплатформы ответственность за более широкий спектр контента, поскольку эти алгоритмы обеспечивают автоматическое обнаружение нежелательных материалов (от нарушений авторского права до разжигания ненависти). На практике, однако, все не так просто, поскольку алгоритмы могут выдавать ложные результаты. Иногда алгоритм ошибочно распознает контент как оскорбительный или незаконный и автоматически его удаляет. Это воспринимается как цензура и посягательство на свободу слова. Законы, требующие от платформ вводить автоматическую модерацию, в конечном счете автоматизируют цензуру.

Звукозаписывающие компании и киностудии часто продвигают законы, предписывающие применение технологий автоматической модерации контента. В США их представители регулярно рассылают уведомления о нарушениях DMCA (Digital Millennium Copyright Act — Закон об авторском праве в цифровую эпоху) с угрозами обратиться в суд, если получатель не предпримет требуемых действий и не удалит материалы. Важно отметить, что интернет-провайдер (ISP) или поставщик контента не несут ответственности за нарушение авторских прав, если они перенаправили уведомление об этом лицу, допустившему нарушение. Также они не обязаны активно искать материалы, нарушающие авторские права, — это бремя возлагается на правообладателя (например, на студию звукозаписи или кинопродюсера). Найти и идентифицировать защищенный авторскими правами контент непросто, поэтому неудивительно, что держатели авторских прав продвигают законы, перекладывающие эту ответственность на ISP и поставщиков контента.

1. Вы установили канал связи между двумя средневековыми замками в виде обученного ворона, переносящего свиток из замка-отправителя в замок-получатель, находящийся за 160 км. Ворон летит со средней скоростью в 40 км/ч и переносит один свиток за раз. Каждый свиток содержит 1,8 ТБ данных. Вычислите скорость передачи данных по этому каналу при отправке (а) 1,8 ТБ данных; (б) 3,6 ТБ данных; (в) бесконечного потока данных.

2. Каждый день все больше устройств подключается к IoT-сетям. Помимо прочего, IoT упрощает наблюдение за собственностью и контроль потребления коммунальных услуг. Но любую технологию можно использовать как во благо, так и во зло. Обсудите возможные недостатки IoT.

3. Беспроводные сети уже обогнали проводные по популярности, несмотря на то что их пропускная способность обычно меньше. Приведите две причины этого явления.

4. Вместо покупки своего собственного аппаратного обеспечения небольшие компании часто размещают оборудование в дата-центрах. Обсудите достоинства и недостатки этого подхода с точки зрения как компании, так и ее пользователей.

5. Альтернативой LAN может служить большая система с разделением времени, с терминалами для всех пользователей. Приведите два преимущества клиент-серверной системы, использующей LAN.

6. На быстродействие клиент-серверной системы очень сильно влияют две основные характеристики сети: пропускная способность сети (сколько битов в секунду она может передавать) и время задержки (через сколько секунд первый бит, отправленный с клиента, попадет на сервер). Приведите пример сети с высокой пропускной способностью и большим временем задержки. А затем — пример сети с низкой пропускной способностью и низким временем задержки.

7. Одним из факторов, влияющих на задержку при коммутации пакетов с промежуточным хранением данных, является время, требуемое для сохранения и отправки пакета далее через коммутатор. Окажет ли время коммутации в 20 мкс существенное влияние на задержку при ответе клиент-серверной системы, в которой клиент находится в Нью-Йорке, а сервер — в Калифорнии? При этом скорость распространения сигнала по медному и оптическому кабелю составляет 2/3 скорости света в вакууме.

8. Сервер отправляет пакеты клиенту через спутник. Прежде чем достичь места назначения, пакеты должны пройти через один или несколько спутников. В спутниках используется коммутация пакетов с промежуточным хранением данных со временем коммутации в 100 мкс. Если полное расстояние, проходимое пакетами, равно 29 700 км, то через сколько спутников должны пройти пакеты, учитывая, что на коммутацию пакетов приходится 1 % задержки?

9. Клиент-серверная система использует спутниковую сеть, причем спутник находится на высоте 40 000 км. Чему равна минимально возможная задержка ответа на запрос?

10. Сигнал движется со скоростью, составляющей 2/3 скорости света в вакууме, и попадает в место назначения через 100 мс. Какое расстояние он прошел?

11. Сегодня, когда практически у всех есть домашние компьютеры или мобильные устройства, подключенные к сети, стали возможны мгновенные голосования по важным законопроектам. Когда-нибудь законодательные органы вообще можно будет упразднить, а люди будут выражать свою волю непосредственно. Положительные стороны прямой демократии очевидны; подумайте, какие у нее могут быть недостатки.

12. Необходимо подключить пять маршрутизаторов к двухточечной сети. Каждую пару маршрутизаторов можно соединить линией с высокой, средней, низкой скоростью или вообще не соединять. Если генерация и оценка каждой топологии занимает у компьютера 50 мс, то сколько займет оценка их всех?

13. Пусть дана группа из 2n – 1 маршрутизаторов, связанных между собой в централизованном бинарном дереве, по одному маршрутизатору в каждом узле дерева. Маршрутизатор i взаимодействует с маршрутизатором j, отправляя сообщение в корневой узел дерева. Далее корневой узел пересылает сообщение вниз, в узел j. Выведите приближенное выражение для среднего количества транзитных участков сети, проходимых сообщением, для больших значений n. Предполагается, что все пары маршрутизаторов равновероятны.

14. Недостаток широковещательной подсети — бесполезная трата ресурсов при одновременной попытке нескольких хостов получить доступ к каналу связи. В качестве упрощенного примера представьте себе, что время поделено на дискретные интервалы и каждый из n хостов пытается воспользоваться каналом с вероятностью p в каждом интервале времени. Какая доля интервалов будет расходоваться впустую из-за конфликтов?

15. В вычислительных сетях и других сложных системах, вследствие большого количества взаимодействий между компонентами, зачастую невозможно уверенно предсказать, когда случится что-то плохое. Как это учитывается при разработке сетей?

16. Объясните, почему канальный, сетевой и транспортный уровни добавляют к полезным данным информацию об источнике и месте назначения.

17. Сравните канальный, сетевой и транспортный уровни на предмет возможных гарантий, предоставляемых ими высшим уровням.

Гарантия

Уровень

Доставка в режиме «лучшее из возможного»

Сетевой

Надежная доставка

Транспортный

Доставка с сохранением порядка

Транспортный

Абстракция байтового потока

Транспортный

Абстракция двухточечных соединений

Канальный

18. Все уровни сети взаимодействуют с расположенным ниже уровнем через интерфейс. Укажите, интерфейсу какого уровня принадлежит каждая из приведенных ниже функций:

Функция

Интерфейс

send_bits_over_link(bits)

send_bytes_to_process(dst, src, bytes)

send_bytes_over_link(dst, src, bytes)

send_bytes_to_machine(dst, src, bytes)

19. Пусть время прохода туда и обратно между двумя конечными точками сети составляет 100 мс, а отправитель посылает по пять пакетов во время каждого цикла. Какова будет скорость передачи отправителя, если размер пакетов — 1500 байт? Укажите ответ в байтах в секунду.

20. Президент Specialty Paint Corp. решил совместно с местной пивоварней разработать невидимую пивную бутылку (в качестве меры борьбы с мусором). Он поручает юридическому отделу изучить эту идею. Юристы, в свою очередь, обращаются за помощью к инженерам. Главный инженер звонит своему коллеге, работающему на аналогичной должности в пивоварне, чтобы обсудить техническую сторону проекта. Инженеры информируют свои юридические отделы, которые далее созваниваются между собой для согласования правовых вопросов. Наконец, два президента корпораций обсуждают финансовую сторону сделки. Какой из принципов модели OSI нарушает эта схема взаимодействия?

21. Каждая из двух сетей предоставляет надежную, ориентированную на установление соединения службу. Но одна из них предлагает стабильный байтовый поток, а другая — бесперебойный поток сообщений. Идентичны ли они? Если да, то почему мы их различаем? Если нет, проиллюстрируйте на примере их отличия.

22. Что означает термин «согласование» в контексте сетевых протоколов? ­Приведите пример.

23. На илл. 1.31 представлена служба. Подразумеваются ли на этом рисунке другие службы? Если да, то где? Если нет, то почему?

24. В некоторых сетях канальный уровень передачи данных отвечает за обработку ошибок передачи, запрашивая повторную отправку поврежденных фреймов. Если вероятность того, что фрейм поврежден, равна p, то чему в среднем равно число необходимых операций передачи для отправки фрейма? Предполагается, что подтверждения отправки никогда не теряются.

25. Какие из уровней OSI и TCP/IP отвечают за следующее:

а) разбиение отправленных битовых потоков на фреймы;

б) выбор пути через подсеть.

26. Если на канальном уровне обмениваются фреймами, а на сетевом уровне — пакетами, то фреймы инкапсулируют пакеты или наоборот? Поясните свой ответ.

27. Рассмотрим шестиуровневую иерархию протоколов, в которой низшим уровнем является уровень 1, а высшим — уровень 6. Приложение отправляет сообщение M уровню 6. Каждый уровень с четным номером присоединяет к содержимому сообщения по концевой метке, а каждый с нечетным — по заголовку. Изобразите графически заголовки, концевые метки и исходное сообщение M в порядке их отправки по сети.

28. Система включает иерархию протоколов из n уровней. Приложения генерируют сообщения длиной M байт. На каждом из уровней добавляется заголовок размером h байт. Какая доля полосы пропускания сети заполнена заголовками?

29. Приведите пять примеров устройств, подключенных к двум сетям одновременно, и объясните, почему это может быть удобно.

30. Подсеть на илл. 1.12 (б) была разработана в расчете на возможную ядерную войну. Сколько бомб потребуется, чтобы разбить ее узлы на два не связанных между собой множества? Предполагается, что любая бомба уничтожает узел и все ведущие к нему каналы связи.

31. Интернет удваивается в размере примерно каждые 18 месяцев. Хотя никто не может сказать точно, но, согласно оценке 2018 года, число хостов было равно 1 млрд. Вычислите на основе этого ожидаемое число хостов в интернете в 2027 году. Кажется ли вам эта оценка правдоподобной? ­Поясните почему.

32. При передаче файла между двумя устройствами возможны две стратегии подтверждения получения. В первом варианте файл разбивается на пакеты и получатель отдельно подтверждает доставку каждого из них, но передача всего файла не подтверждается. Во втором случае подтверждается только получение файла целиком. Обсудите эти два подхода.

33. Операторам мобильных телефонных сетей необходимо знать, где находятся телефоны их абонентов (а значит, и сами эти абоненты). Объясните, чем это плохо для пользователей. В каких ситуациях это может быть полезно?

34. Какова была длина одного бита в исходном стандарте 802.3 в метрах? При этом скорость передачи составляет 10 Мбит/с, а скорость распространения сигнала в коаксиальном кабеле равна 2/3 скорости света в вакууме.

35. Пусть дано изображение размером 3840 × 2160 пикселей, причем каждый пиксель занимает 3 байта. Допустим, что оно не сжато. Сколько времени займет его передача по 56-килобитному модемному каналу? Через 1-мегабитный кабельный модем? По 10-мегабитной сети Ethernet? Через гигабитную сеть Ethernet?

36. Между Ethernet и беспроводными сетями есть определенные сходства и различия. Одно из свойств Ethernet заключается в передаче одновременно только одного фрейма. Разделяет ли стандарт 802.11 это свойство с Ethernet? Раскройте эту тему.

37. Беспроводные сети очень просты в установке, а потому и дешевы (ведь затраты на установку в других случаях намного превосходят стоимость оборудования). Тем не менее у них есть и недостатки. Назовите два из них.

38. Приведите два достоинства и два недостатка существования международных стандартов сетевых протоколов.

39. Если система состоит из постоянной и съемной частей (например, как привод CD-ROM и компакт-диск), важна ее стандартизация, чтобы компоненты от разных производителей работали друг с другом. Приведите три примера подобных международных стандартов в других сферах помимо вычислительной техники. Теперь назовите три области (не относящиеся к компьютерам), где таких стандартов нет.

40. На илл. 1.34 приведено несколько различных протоколов из сетевого стека TCP/IP. Объясните, зачем могут пригодиться несколько протоколов на одном уровне. Приведите пример.

41. Предположим, что поменялись алгоритмы, используемые для реализации операций на уровне k. Как это повлияет на операции на уровнях k – 1 и k + 1?

42. Предположим, что изменилась служба (набор операций), предоставляемая уровнем k. Как это повлияет на операции на уровнях k – 1 и k + 1?

43. Выясните, как открыть встроенный сетевой монитор вашего браузера. Откройте его и перейдите на какую-нибудь веб-страницу (например, https://www.cs.vu.nl/~ast/). Сколько запросов ваш браузер (клиент) отправил на сервер? Какие это запросы? Почему запросы отправляются по отдельности, а не как один большой запрос?

44. Составьте список ваших ежедневных дел, в которых задействованы компьютерные сети.

45. Программа ping дает возможность отправить тестовый пакет по заданному адресу и узнать, сколько времени занимает его путь туда и обратно. Попробуйте воспользоваться ping, чтобы узнать, сколько времени занимает прохождение пакетов от вашего компьютера до нескольких конкретных мест. Исходя из этих данных постройте график времени прохождения пакета в одну сторону как функцию расстояния. Лучше использовать для этой цели университеты, поскольку местоположение их серверов известно с большой точностью. Например, berkeley.edu находится в Беркли, штат Калифорния; mit.edu — в Кембридже, штат Массачусетс; vu.nl — в Амстердаме, Нидерланды; www.usyd.edu.au — в Сиднее, Австралия; и www.uct.ac.za — в Кейптауне, ЮАР.

46. Перейдите на веб-сайт IETF, www.ietf.org, и ознакомьтесь с его деятельностью. Выберите проект по своему вкусу и напишите отчет на полстраницы о решаемой им задаче и предлагаемом решении.

47. Стандартизация играет важную роль в мире сетей. Основные официальные организации, занимающиеся стандартизацией, — МСЭ и ISO. Перейдите на их веб-сайты, www.itu.org и www.iso.org соответственно, и почитайте об их работе. Напишите короткий отчет о стандартизируемых ими вещах.

48. Интернет состоит из огромного количества сетей. Их расположение определяет топологию интернета. В Сети доступно немало информации на эту тему. Воспользуйтесь поисковыми системами, чтобы узнать больше о топологии интернета, и напишите короткий отчет по итогам найденного.

49. Поищите в интернете информацию о важных пиринговых точках, используемых в настоящее время для маршрутизации пакетов в интернете.

50. Напишите программу, которая осуществляет поток сообщений с верхнего на нижний уровень 7-уровневой модели протоколов. Программа должна включать по отдельной функции протокола для каждого уровня. Заголовки протокола представляют собой последовательности, содержащие до 64 символов. У каждой функции протокола есть два параметра: сообщение, передаваемое от протокола более высокого уровня (символьный буфер), и размер этого сообщения. Функция присоединяет заголовок перед сообщением, выводит получившееся новое сообщение в стандартный поток вывода, после чего вызывает функцию протокола нижележащего уровня. Входными данными для программы служит сообщение приложения.

2.1.1. Запоминающее устройство

Стандартный способ переноса информации с одного устройства на другое — записать на носитель, магнитный или твердотельный (например, записываемый DVD), физически доставить его к целевому устройству и считать данные. Это не так современно, как использование геостационарного спутника связи, но зачастую более рентабельно, особенно в ситуациях, где ключевым фактором является высокая скорость передачи данных или стоимость в расчете на переданный бит.

Это ясно из простого расчета. Стандартный магнитный картридж в формате Ultrium может содержать до 30 Тбайт данных. В коробке размером 60 × 60 × 60 см помещается около 1000 таких накопителей общей емкостью 30 000 ТБ, то есть 240 000 Тбит (240 Пбит). Federal Express или другая логистическая компания может доставить эту коробку в любую точку США за 24 часа. Фактическая пропускная способность при таком варианте передачи данных составит 240 000 Тбит/86 400 с, то есть более 2700 Гбит/с. А если место назначения всего в часе езды, то пропускная способность превысит 66 Тбит/с. Ни одна сеть не способна даже приблизиться к подобным показателям. Конечно, скорость сетей растет, но растет и плотность записи на магнитную ленту.

Если взглянуть на стоимость, картина будет аналогичной. Оптовая цена картриджа Ultrium — $40. Учитывая, что его можно повторно использовать минимум 10 раз, коробка обойдется в $4000. Добавим к этому $1000 за услуги доставки (скорее всего, намного меньше), и получится примерно $5000 за передачу 30 000 Tбайт данных. Стоимость пересылки одного гигабайта составит чуть более половины цента. Сети не могут с этим соперничать. Мораль истории такова:

Никогда не недооценивайте пропускную способность несущегося по шоссе грузовика, набитого магнитными картриджами.

Зачастую это наилучшее решение при перемещении очень больших объемов данных. Компания Amazon предоставляет сервис Snowmobile. Это большой грузовик, набитый тысячами жестких дисков, подключенных к высокоскоростной сети внутри грузовика. Его общая емкость составляет 100 Пбайт (100 000 Тбайт или 100 млн Гбайт). Если компания нуждается в перемещении огромного объема данных, такой грузовик приезжает на ее территорию, подключается к оптоволоконной сети компании, а затем извлекает нужную информацию. По завершении грузовик едет в место назначения и выгружает данные. Этот сервис может пригодиться компании, желающей использовать облако Amazon вместо собственного огромного дата-центра. Остальные методы передачи и близко не сравнятся с этим сервисом, если речь идет о гигантских объемах данных.

2.2.1. Спектр электромагнитных волн

Электроны при движении создают электромагнитные волны, способные распространяться в пространстве (даже в вакууме). В 1865 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) высказал гипотезу о существовании этих волн, а в 1887 году они впервые были зафиксированы немецким физиком Генрихом Герцем (Heinrich Hertz). Число колебаний волны в секунду, измеряемое в герцах, называется ее частотой (frequency), f. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны (wavelength) и традиционно обозначается греческой буквой λ (лямбда).

Если к электрической цепи подключить антенну нужного размера, можно с успехом передавать электромагнитные волны на приемник, расположенный на некотором расстоянии. На этом принципе основана вся беспроводная связь.

В вакууме все электромагнитные волны перемещаются с одной скоростью, вне зависимости от их частоты. Эту скорость называют скоростью света, c. Она равна приблизительно 3×108 м/с, то есть около 1 фута (30 см) в наносекунду. (Можно было бы пересмотреть традицию и определить фут как расстояние, проходимое светом в вакууме за наносекунду, вместо того чтобы опираться на размер обуви давно умершего короля.) В медном проводе или оптоволокне скорость волн снижается до 2/3 этого значения и начинает в некоторой степени зависеть от частоты. Скорость света — абсолютный предел скорости во Вселенной. Никакой объект или сигнал не может перемещаться быстрее.

f, λ и c (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением:

λ f = c. (2.1)

Поскольку c — постоянная, то, зная f, можно найти λ, и наоборот. Эмпирическое правило: если λ измеряется в метрах, а f — в мегагерцах, то λf ≈ 300. Например, длина волн частотой 100 МГц составляет около 3 м, 1000 МГц — 0,3 м, а 3000 МГц — 0,1 м.

На илл. 2.8 приведен спектр электромагнитных волн. Для передачи данных путем модуляции амплитуды, частоты или фазы волн можно использовать радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение, а также видимый свет. Еще лучше для этой цели подошло бы ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение благодаря более высокой частоте, но генерировать и модулировать их сложнее: они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого.

Названия частотных диапазонов, представленные в нижней части илл. 2.8, являются официальными наименованиями Международного союза электросвязи (ITU). Они соответствуют длине волны: к примеру, низкочастотный диапазон охватывает длины волн от 1 до 10 км (примерно от 30 до 300 КГц). Сокращения НЧ (LF), СЧ (MF) и ВЧ (HF) означают низкие (low), средние (medium) и высокие частоты (high frequency) соответственно. Разумеется, при выборе названий никто не ожидал, что будут использоваться частоты выше 10 МГц. Поэтому последующие диапазоны получили названия ОВЧ, очень высокие частоты (VHF, very high frequency); УВЧ, ультравысокие частоты (UHF, ultra high frequency); СВЧ, сверхвысокие частоты (SHF, super high frequency); КВЧ, крайне высокие частоты (EHF, extremely high frequency), и ГВЧ, гипервысокие частоты (THF, tremendously high frequency). Наименования следующих диапазонов пока не придуманы, но как нам кажется, отлично подойдут «невероятно высокие», «поразительно высокие» и «чудовищно высокие» частоты (НВЧ, ПВЧ и ЧВЧ). Выше 1012 Гц начинается инфракрасное излучение, которое имеет смысл сравнивать с видимым светом, а не с радиоволнами.

Илл. 2.8. Спектр электромагнитных волн и их применение для электросвязи

Из теоретических основ электросвязи (изложенных далее в этой главе) известно, что количество информации, переносимой сигналом (например, электромагнитной волной), зависит от принимаемой мощности и пропорционально ширине полосы пропускания. Из илл. 2.8 становится ясно, почему разработчики сетей так любят оптоволокно. В микроволновом диапазоне для передачи данных доступна полоса пропускания на много гигагерц, но оптоволокно находится правее на логарифмической шкале, поэтому его показатели еще лучше. В качестве примера рассмотрим 1,30-микрометровый диапазон на илл. 2.5; ширина диапазона составляет 0,17 мкм. Воспользуемся уравнением (2.1) и вычислим начальную и конечную частоты на основе соответствующих длин волн. Диапазон составляет около 30 000 ГГц. При допустимом соотношении «сигнал/шум» в 10 дБ скорость будет равна 300 Тбит/с.

Большая часть данных передается в относительно узком диапазоне частот, другими словами, ∆ f / f << 1. Сигналы сосредоточиваются в узком диапазоне для более эффективного использования спектра и достижения хороших скоростей передачи за счет достаточной мощности. Далее мы опишем три типа передачи, при которых используются более широкие диапазоны частот.

2.3.1. Радиосвязь

Радиоволны легко генерировать, они способны преодолевать большие расстояния и с легкостью проходить сквозь стены. Поэтому их повсеместно используют для связи как в помещениях, так и на открытом пространстве. Радиоволны являются всенаправленными, то есть расходятся во все стороны от источника, а значит, нет необходимости тщательно нацеливать передатчик на приемник.

Иногда всенаправленность радиоволн полезна, но порой она может сыграть злую шутку. В 1970-х компания General Motors решила оборудовать все свои новые кадиллаки электронной антиблокировочной системой. При нажатии на педаль тормоза устройство подавало сигналы включения/выключения тормозов вместо их блокировки. Однажды дорожный патрульный штата Огайо попытался связаться с управлением по своей новенькой рации, и внезапно проезжающий мимо кадиллак стал вести себя как необъезженный жеребец. Когда офицер наконец остановил эту машину, водитель заявил, что ничего не делал и что автомобиль вдруг будто взбесился.

В конце концов начала прослеживаться закономерность: иногда кадиллаки «бунтовали», но только на крупных шоссе Огайо и только когда за ними наблюдал дорожный патруль. Долгое время в General Motors не могли понять, почему эта проблема не возникает во всех остальных штатах, а также на небольших дорогах Огайо. Только после тщательных исследований они обнаружили, что электропроводка кадиллака служит прекрасной антенной для частот, используемых новой радиосистемой дорожного патруля штата Огайо.

Свойства радиоволн зависят от частоты. Низкочастотные радиоволны легко проходят сквозь препятствия, но их мощность резко падает с удалением от источника — со скоростью минимум 1/r2 в воздухе, — поскольку энергия сигнала распределяется более тонким слоем по большей поверхности. Подобное затухание называется потерями в тракте передачи (path loss). Высокочастотные радиоволны движутся по прямой и отражаются от препятствий. Эти отражения сильно влияют на мощность сигнала помимо уже упомянутых потерь в тракте передачи. Высокочастотные радиоволны сильнее поглощаются дождем и остальными препятствиями, чем низкочастотные. При этом радиоволны любой частоты подвержены помехам от моторов и прочего электрического оборудования.

Интересно сравнить затухание радиоволн и сигналов в направляющих средах передачи. В оптоволокне, коаксиальном кабеле и витой паре мощность сигнала падает на одинаковую долю за единицу расстояния, например, на 20 дБ за 100 м для витой пары. В случае радиоволн мощность сигнала падает на одинаковую долю при удвоении расстояния, например, в вакууме эта доля равна 6 дБ. Это означает, что радиоволны могут проходить большие расстояния, при этом основной проблемой являются взаимные помехи между пользователями. Поэтому правительства всех стран жестко регулируют использование радиопередатчиков (за несколькими исключениями, которые мы обсудим далее).

В диапазонах ОНЧ, НЧ и СЧ радиоволны следуют вдоль земной поверхности, как показано на илл. 2.10 (а). Прием этих волн возможен на расстоянии до 1000 км для низких частот и на меньшем — для чуть более высоких. Для AM-радиовещания используется диапазон СЧ, именно поэтому поверхностный сигнал бостонских AM-радиостанций не так-то просто услышать в Нью-Йорке. Радиоволны в этих диапазонах легко проникают сквозь здания, поэтому радио прекрасно работает в помещении. Основная проблема с использованием этих диапазонов частот для передачи данных — низкая полоса пропускания.

Илл. 2.10. (а) Радиоволны ОНЧ, НЧ и СЧ следуют вдоль земной поверхности. (б) Радиоволны ВЧ отражаются от ионосферы

В диапазонах ВЧ и ОВЧ поверхностный сигнал поглощается почвой. Впрочем, те волны, что достигают ионосферы — слоя заряженных частиц, окружающих нашу планету на высоте от 100 до 500 км, — отражаются от нее и попадают обратно на землю, как показано на илл. 2.10 (б). При определенных атмосферных условиях сигнал даже может отразиться туда и обратно несколько раз. Радиолюбители применяют диапазоны ВЧ и ОВЧ для переговоров на больших расстояниях. Эти диапазоны также используются военными.

2.4.1. Теоретические основы обмена данными

Информацию можно передавать по проводам путем варьирования какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Если представить значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени f(t), можно смоделировать поведение сигнала и проанализировать его математически. Этому анализу и посвящены следующие разделы.

2.5.1. Структура телефонной системы

После получения Александром Грэхемом Беллом патента на телефон в 1876 году (всего на несколько часов раньше его конкурента Илайши Грея (Elisha Gray)) возник колоссальный спрос на его изобретение. Изначально на рынке продавались только телефоны, причем попарно. Протягивать провод между ними должен был сам абонент. А если владелец телефона хотел поговорить с n владельцами других телефонов, приходилось тянуть отдельные провода во все n домов. Всего через год города были покрыты проводами, беспорядочно опутывающими дома и деревья. Стало очевидно, что модель соединения всех телефонов попарно, приведенная на илл. 2.24 (а), не подходит.

Илл. 2.24. (а) Полносвязная сеть. (б) Централизованная коммутация. (в) Двухуровневая иерархия

Надо отдать Беллу должное: он быстро осознал проблему и создал компанию Bell Telephone. Первая коммутационная станция открылась в Нью-Хэйвене, штат Коннектикут, в 1878 году. От коммутатора тянулись провода в дома и офисы всех абонентов. Чтобы позвонить кому-то, абонент вращал рукоятку телефона, на коммутаторе раздавался звонок, и оператор вручную соединял звонившего с вызываемым абонентом с помощью короткого гибкого кабеля. Модель отдельного коммутатора показана на илл. 2.24 (б).

Вскоре коммутаторы Bell Telephone стали появляться повсюду как грибы после дождя. Люди захотели звонить из одного города в другой, так что Bell Telephone начали соединять коммутаторы между собой. И скоро столкнулись с той же проблемой: при соединении проводами всех коммутаторов попарно сеть быстро становилась очень запутанной. Поэтому были изобретены коммутаторы второго уровня. Через какое-то время потребовалось уже несколько коммутаторов второго уровня, как показано на илл. 2.24 (в). В конце концов иерархия разрослась до пяти уровней.

К 1890 году телефонная система состояла из трех основных составляющих: коммутаторов; проводов, соединяющих абонентов с коммутаторами (теперь уже симметричных изолированных витых пар, а не голых проводов с землей в качестве обратного провода); и наконец, междугородних соединений коммутаторов. Техническая сторона истории телефонной системы кратко описана в работе Хоули (Hawley, 1991).

И хотя с тех пор все три составляющие претерпели значительные изменения, основная модель Bell Telephone через 100 лет осталась по существу такой же. Следующее описание, возможно, несколько упрощено, но позволяет понять, что к чему. Из каждого телефона выходит два провода, непосредственно ведущих в оконечную телефонную станцию (end office), называемую также местной центральной АТС (local central office). Расстояние между станциями обычно составляет от 1 до 10 км, причем в городах меньше, чем в сельской местности. Только в США насчитывается около 22 000 оконечных станций. Линия из двух проводов между телефоном абонента и оконечной станцией называется абонентским шлейфом (local loop)22. Если вытянуть в одну линию все локальные шлейфы в мире, они покрыли бы расстояние до Луны и обратно 1000 раз.

В какой-то момент 80 % капитала AT&T составляла медь в абонентских шлейфах. На тот момент AT&T была фактически крупнейшим добывающим медь предприятием в мире. К счастью, это было не слишком широко известно, иначе какой-нибудь агрессивный инвестор мог бы купить AT&T, закрыть весь телефонный бизнес в США, выкопать все провода и продать их скупщикам цветных металлов ради быстрой наживы.

Когда абонент, подключенный к местной АТС, звонит другому абоненту, подключенному к той же станции, механизм коммутации создает прямое элект­рическое соединение двух абонентских шлейфов, поддерживаемое на протяжении всего звонка.

Если же вызываемый телефон подключен к другой станции, необходима иная процедура. У каждой АТС есть несколько исходящих каналов связи, ведущих к одному или нескольким соседним коммутаторам, называемым междугородними телефонными станциями (toll office) либо транзитными (узловыми) телефонными станциями (tandem office), если они расположены в одном районе. Эти каналы называются соединительными линиями (toll connecting trunk). Число различных видов коммутаторов и их топология в разных странах различаются и зависят от плотности телефонной сети.

Если линии АТС как вызывающего, так и вызываемого абонента ведут к одной междугородней станции (что весьма вероятно, если они расположены по соседству), то соединение можно произвести внутри этой станции. Телефонная сеть, состоящая лишь из телефонов (маленькие точки), оконечных телефонных станций (большие точки) и междугородних телефонных станций (квадраты), показана на илл. 2.24 (в).

Если соединительные линии АТС абонентов не ведут к одной междугородней телефонной станции, необходимо построить путь между двумя междугородними станциями. Они взаимодействуют друг с другом посредством высокоскоростных междугородних соединительных линий (intertoll trunks, interoffice trunks). До распада AT&T в 1984 году в телефонной системе США для поиска такого пути применялась иерархическая маршрутизация с переходом на все более высокие уровни до тех пор, пока не будет найден общий коммутатор. Затем этот механизм сменила более гибкая неиерархическая маршрутизация. На илл. 2.25 показан механизм маршрутизации междугородних соединений.

Илл. 2.25. Типовой маршрут связи для междугородних звонков

Для связи используется множество различных сред передачи. В отличие от современных офисных зданий, куда обычно прокладываются кабели категории 5 или 6, абонентские шлейфы к жилым домам состоят в основном из витых пар категории 3 (хотя встречается и оптоволокно). А для соединения коммутаторов широко используются коаксиальные кабели, микроволны, а главным образом оптоволоконные кабели.

Раньше передача информации через телефонные системы была аналоговой, а сам голосовой сигнал передавался в виде электрического напряжения от источника в пункт назначения. С приходом оптоволоконных технологий, цифровой электроники и компьютеров все соединительные линии и коммутаторы стали цифровыми и единственной аналоговой частью системы остались абонентские шлейфы. Цифровая передача удобнее, поскольку не требует точного воспроизведения аналоговой формы волны, прошедшей через множество усилителей при междугороднем вызове. Достаточно безошибочно отличать 0 от 1. Благодаря этому свойству цифровая передача данных надежнее аналоговой. Кроме того, она дешевле и проще в обслуживании.

Итак, телефонная система состоит из трех основных компонентов:

2.6.1. Основные понятия: соты, передача обслуживания, пейджинг

Во всех мобильных телефонных системах географические области делятся на соты (cells), именно поэтому переносные телефонные аппараты иногда называют сотовыми телефонами. Смежные соты используют разные наборы частот. Главная идея, благодаря которой пропускная способность сотовых систем намного выше, чем у их предшественников, — использование относительно маленьких сот и повторное использование частот в близко расположенных (но не смежных) сотах. Чем меньше соты, тем выше пропускная способность системы и тем экономнее потребление электроэнергии. В итоге передатчики и переносные телефонные аппараты становятся компактнее и дешевле.

Соты позволяют многократно использовать частоты, как показано на илл. 2.39 (а). Соты имеют форму, близкую к окружности, но удобнее представить их в виде шестиугольников. На илл. 2.39 (а) изображены соты одного размера, сгруппированные по семь штук. Наборы частот обозначены буквами. Обратите внимание, что каждый набор окружен буфером в две соты толщиной, в котором используются другие частоты. Это обеспечивает эффективное разделение частот и низкий уровень помех.

Илл. 2.39. (а) Одинаковые частоты не используются в смежных сотах. (б) Чтобы повысить число пользователей, можно использовать меньшие соты

Слишком большое количество пользователей может вызвать перегрузку системы. Чтобы этого избежать, можно снизить мощность и разбить перегруженные соты на микросоты. Это повышает интенсивность повторного использования частот, как показано на илл. 2.39 (б). Иногда телефонные компании создают временные микросоты с помощью переносных вышек со спутниковыми каналами связи — на спортивных мероприятиях, рок-концертах и в других местах, где множество пользователей собирается на несколько часов.

В центре сот расположены базовые станции, на которые передаются данные со всех телефонов в соте. Базовая станция состоит из компьютера и передатчика/приемника, подключенных к антенне. В маленьких системах все базовые станции подключаются к одному устройству, которое называется центром мобильной коммутации (Mobile Switching Center, MSC), или коммутатором мобильной связи (Mobile Telephone Switching Office, MTSO). В больших системах могут понадобиться несколько MSC, подключенных к одному MSC второго уровня, и т.д. MSC, по сути, являются аналогами оконечных телефонных станций и фактически подключены по меньшей мере к одной такой станции. MSC обмениваются информацией с базовыми станциями, друг с другом и с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (Public Switched Telephone Network, PSTN), используя коммутацию пакетов.

В любой момент времени мобильный телефон логически относится к конкретной соте и контролируется ее базовой станцией. Когда телефон покидает эту соту, базовая станция замечает ослабление сигнала и «спрашивает» ближайшие станции, насколько хорошо они его «слышат». Получив ответы, станция передает обслуживание этого телефона той соте, в пределах которой он теперь находится. После этого телефон оповещается о смене соты. Если это происходит во время разговора, он получает предложение о переключении на новый канал (поскольку старый не может использоваться в смежных сотах). Этот процесс, называемый передачей обслуживания (handoff), занимает около 300 мс. Распределением каналов занимается MSC — мозговой центр ­системы. Базовые станции представляют собой простые радиоретрансляторы.

Основная проблема — найти высокую точку для размещения базовых станций. Она заставила некоторых операторов мобильной связи заключить договор с Римско-католической церковью, которая владеет множеством подходящих для установки антенн возвышенностей по всему миру. Удобно и то, что они находятся под управлением одной организации.

В сотовых сетях обычно встречается четыре типа каналов. Каналы управления (control channels) — от базовой станции к мобильному устройству — используются для управления системой. Пейджинговые каналы (paging channels) — от базовой станции к мобильному устройству — оповещают пользователей мобильных устройств о входных звонках. Каналы доступа (access channels) — двунаправленные — используются для настроек звонков и распределения каналов. Наконец, каналы данных (data channels) — также двунаправленные — служат для передачи голоса, факсов или данных.

2.7.1. История кабельных сетей: ТВ-системы коллективного приема

Кабельное телевидение возникло в конце 1940-х как способ улучшения телевизионного сигнала в сельской или горной местности. Изначально система состояла из большой антенны, установленной на возвышенности и принимающей телевизионный сигнал из эфира, усилителя — так называемой головной станции (headend) — и коаксиального кабеля, ведущего к домам абонентов (илл. 2.44).

Илл. 2.44. Первые системы кабельного телевидения

Сначала кабельное телевидение называлось ТВ-системами коллективного приема (Community Antenna Television, CATV) и было, по сути, семейным бизнесом. Любой разбирающийся в электронике человек мог настроить телевидение для жителей своего города, готовых оплатить расходы. По мере роста числа абонентов к первоначальной линии подсоединялись дополнительные кабели, а в случае необходимости добавлялись усилители. Передача была односторонней, от головной станции — пользователям. К 1970 году уже существовали тысячи независимых систем.

В 1974 году компания Time Inc. запустила новый канал телевидения Home Box Office, работающий исключительно через кабельную сеть. Затем появились и другие кабельные каналы: спортивные, новостные, кулинарные, исторические, научно-популярные, детские, каналы с фильмами и многие другие. Это привело к двум серьезным изменениям в отрасли. Во-первых, крупные корпорации начали скупать уже существующие кабельные системы и прокладывать новые кабели для привлечения новых пользователей. Во-вторых, возникла потребность в соединении множества систем, зачастую расположенных в разных городах, для распространения новых кабельных каналов. Операторы кабельного телевидения начали прокладывать магистрали между городами, чтобы соединить их в единую систему. Все это напоминало события в телефонной отрасли, происходившие за 80 лет до этого, когда изолированные друг от друга оконечные телефонные станции соединялись, чтобы можно было звонить по межгороду и в другие страны.

2.8.1. Геостационарные спутники

В 1945 году писатель-фантаст Артур Кларк вычислил, что спутник, находящийся на высоте 35 800 км на круговой экваториальной орбите, будет казаться неподвижным в небе, так что отслеживать его не нужно (Clarke, 1945). Он описал полноценную систему связи, использующую подобные (пилотируемые) геостационарные спутники, включая их орбиты, солнечные батареи, радиочастоты и процедуры запуска. К сожалению, он пришел к выводу, что его идея нереализуема из-за невозможности размещения на орбите хрупких усилителей на вакуумных лампах, требующих большого количества энергии. Поэтому Кларк больше не развивал эту идею, хотя и посвятил ей несколько научно-фантастических рассказов.

Изобретение транзисторов в корне изменило ситуацию, и в июле 1962 года был запущен первый искусственный спутник связи «Телстар». С тех пор спутники связи стали многомиллиардным и единственным высокорентабельным бизнесом, связанным с космическим пространством. Эти спутники, расположенные на большой высоте, часто называют спутниками GEO (Geostationary Earth Orbit — геостационарная околоземная орбита).

При современном уровне технологий не имеет смысла располагать геостационарные спутники чаще чем с интервалом в 2 градуса в 360-градусной экваториальной плоскости. В противном случае возникнут взаимные помехи. Следовательно, в небе могут одновременно находиться только 360/2 = 180 таких спутников. Впрочем, каждый транспондер может использовать несколько частот и схем поляризации для повышения доступной полосы пропускания.

Во избежание хаоса в небе выделением мест для спутников занимается МСЭ. Этот процесс чрезвычайно политизирован. Одни государства, едва вышедшие из каменного века, требуют «своих» мест на орбите (для дальнейшей перепродажи тому, кто заплатит больше). Другие считают, что государственная собственность не распространяется до Луны и ни одна страна не имеет права на участок орбиты над ее территорией. Ситуация осложняется тем, что коммерческая связь — отнюдь не единственный способ применения таких спутников. Телевизионные компании, правительства, военные — все хотят свой «кусок космического пирога».

Современные спутники бывают довольно большими, весят более 5000 кг и потребляют несколько киловатт электроэнергии, производимой солнечными батареями. Притяжение Солнца, Луны и планет стремится сместить их с назначенных мест и ориентации на орбите. Противодействие этому эффекту называется поддержанием стационарной орбиты (station keeping) и осуществляется с помощью установленных на спутнике ракетных двигателей. Когда заканчивается топливо (обычно лет через десять), спутник начинает беспомощно дрейфовать и «кувыркаться», поэтому его приходится отключать. В конце концов он сходит с орбиты, входит в атмосферу и сгорает либо (крайне редко) падает на Землю.

Участки орбиты — далеко не единственное яблоко раздора. Частоты тоже нужно распределять, поскольку передачи по входящим каналам создают помехи для микроволновых устройств. В связи с этим МСЭ выделил определенные полосы частот для спутниковых пользователей (основные приведены на илл. 2.49). Первой из них стала полоса C, доступная для коммерческого спутникового трафика. В ней было выделено два диапазона частот: нижний — для входящего трафика (от спутника) и верхний — для исходящего (на спутник). Для одновременного движения трафика в обоих направлениях необходимы два канала. Эти каналы и так переполнены, поскольку используются в распространенных системах связи для приземных микроволновых соединений. Полосы L и S были добавлены в результате международного соглашения в 2000 году. Впрочем, они довольно узкие и тоже перегружены.

Полоса

Входящий трафик

Исходящий трафик

Ширина полосы пропускания

Проблемы

L

1,5 ГГц

1,6 ГГц

15 МГц

Малая ширина полосы пропускания; переполнена

S

1,9 ГГц

2,2 ГГц

70 МГц

Малая ширина полосы пропускания; переполнена

C

4,0 ГГц

6,0 ГГц

500 МГц

Помехи от приземной связи

Ku

11 ГГц

14 ГГц

500 МГц

Дожди

Ka

20 ГГц

30 ГГц

3500 МГц

Дожди; стоимость оборудования

Илл. 2.49. Основные спутниковые полосы частот

Вторая по высоте частот полоса, доступная для коммерческих операторов связи, — полоса Ku (K under; «K нижняя»). Этот диапазон пока еще не слишком перегружен, и на его верхних частотах спутники можно размещать через 1 градус; скорость передачи может достигать более 500 Мбит/с. Впрочем, есть другая проблема: дожди. Вода хорошо поглощает столь короткие микроволны. К счастью, сильные ливни обычно ограничиваются небольшой территорией, так что обойти эту проблему можно за счет нескольких наземных станций, расположенных далеко друг от друга, вместо одной. Но это решение имеет свою цену в виде стоимости дополнительных антенн, кабелей и электроники для быстрого переключения между станциями. Также для коммерческой спутниковой связи была выделена полоса в диапазоне Ka (K above; «K верхняя»), но для ее использования требуется весьма дорогостоящее оборудование. Помимо коммерческих диапазонов, существует также множество военных и правительственных.

Современный спутник обычно содержит около 40 транспондеров с полосой пропускания, как правило, 36 МГц. Обычно они осуществляют прямую ретрансляцию, но в некоторых последних моделях спутников есть мощности для обработки «на борту», что дает возможность производить более сложные операции. В первых спутниках деление транспондеров по каналам было статическим: полоса пропускания просто разбивалась на фиксированные полосы частот. Теперь пучки сигналов транспондеров делятся по временным слотам и пользователи используют их по очереди. В который раз убеждаемся, что схемы TDM и FDM могут применяться в разнообразных ситуациях.

Пространственный пучок сигнала — его зона покрытия (footprint) — первых геостационарных спутников охватывал примерно 1/3 земной поверхности. В результате колоссального снижения стоимости, размеров и требований к мощности микроэлектроники стала возможной гораздо более совершенная стратегия широкополосной трансляции. Каждый спутник снабжен несколькими антеннами и транспондерами. Любой нисходящий пучок можно сфокусировать на небольшой географической области и осуществлять несколько одновременных входящих и исходящих передач. Обычно у подобных остронаправленных пучков (spot beam) эллиптическая форма, а размер может быть всего несколько сотен километров в диаметре. Американские спутники связи обычно используют один широкий пучок сигнала для непрерывного участка из 48 штатов и еще два остронаправленных пучка для Аляски и Гавайев.

Новым витком развития в мире спутников связи стало создание недорогих микростанций VSAT (Very Small Aperture Terminals); см. работу Абрамсона (Abramson, 2000). Диаметр антенн этих крошечных терминалов составляет всего 1 м или даже меньше (в отличие от 10 м у стандартных антенн GEO), а их выходная мощность — около 1 Вт. Скорость исходящего соединения обычно не более 1 Мбит/с, а входящего — до нескольких мегабит в секунду. Эта технология применяется в спутниковых системах прямого телевещания для односторонней передачи.

Во многих системах VSAT мощность микростанций недостаточна для прямой связи друг с другом (через спутник, разумеется). Для ретрансляции трафика между различными VSAT необходима особая наземная станция, концентратор (hub), на которой установлена большая антенна с высоким коэффициентом усиления (илл. 2.50). В данной конфигурации либо передатчик, либо приемник имеет огромную антенну и мощный усилитель. Недостатком системы является более длительная задержка, но есть и существенный плюс — более дешевые терминалы для конечных пользователей.

Илл. 2.50. VSAT с использованием концентратора

Системы VSAT имеют колоссальные перспективы применения в сельской местности, особенно в развивающихся странах. Во многих уголках мира нет ни проводной связи, ни сотовых вышек. Бюджет большинства развивающихся стран не позволяет прокладывать телефонные линии в тысячи крошечных деревушек. Возводить сотовые вышки проще, но их нужно соединять проводами с общенациональной телефонной сетью. Установка однометровой тарелки VSAT с питанием от солнечных батарей зачастую становится оптимальным решением. VSAT — это технология, которая может положить конец опутыванию всего мира проводами. Кроме того, она способна обеспечить интернет-доступ пользователям смартфонов в регионах без приземной инфраструктуры (то есть в большей части развивающегося мира).

У спутников связи есть несколько особенностей, резко отличающих их от приземных двухточечных соединений. Прежде всего долгий путь сигнала до геостационарного спутника и обратно приводит к существенной задержке (несмотря на то что сигнал движется со скоростью света, почти 300 000 км/с). В зависимости от расстояния между пользователем и наземной станцией, а также от высоты спутника над горизонтом сквозная задержка составляет 250–300 мс. Обычно время прохождения сигнала туда и обратно составляет 270 мс (540 мс для системы VSAT с концентратором).

Для сравнения: задержка распространения сигнала в приземных микроволновых каналах связи составляет примерно 3 мкс/км, а в коаксиальном или оптоволоконном кабеле — примерно 5 мкс/км. Разница объясняется тем, что электромагнитные сигналы быстрее распространяются в воздухе, чем в плотной среде.

Важное свойство спутников состоит в том, что они по своей сути широковещательные. Стоимость отправки сообщения на тысячу устройств в зоне покрытия транспондера такая же, как и на одно устройство. В некоторых случаях это очень удобно. Например, спутник может транслировать популярные веб-страницы в кэш множества компьютеров на огромной территории. И хотя широковещательную трансляцию можно имитировать при помощи двухточечных линий связи, спутниковое вещание обойдется намного дешевле. При этом с точки зрения защиты информации спутники крайне небезопасны: все могут слышать всё. Для обеспечения конфиденциальности необходимо шифрование.

Еще одна особенность спутников — стоимость передачи сообщения не зависит от расстояния, проходимого сигналом. Звонок через океан ничуть не дороже, чем звонок в соседний дом. Спутники также отличаются превосходными показателями частоты ошибок, а необходимая инфраструктура развертывается практически мгновенно, что очень важно в случае чрезвычайных ситуаций и для военных.

2.9.1. Наземные сети доступа: кабельные, оптоволоконные и ADSL

У кабельных сетей, FTTH и ADSL больше сходств, чем различий. Они предлагают пользователям похожие сервисы и, вследствие ожесточенной конкуренции, все более сопоставимые цены. На сегодняшний день в опорной сети всегда используется оптоволокно независимо от выбранной технологии; отличия проявляются лишь на последнем участке, на физическом и канальном уровнях. Оптоволоконные и ADSL-провайдеры предоставляют абонентам более стабильный доступ, поскольку пропускная способность выделяется под конкретного пользователя. Согласно последней статистике в США, например, ежегодным отчетам проекта MBA (Measuring Broadband America) Федеральной комиссии по связи (FCC), реальные скорости провайдеров, как правило, соответствуют рекламным обещаниям.

В сетях ADSL и FTTH подключение новых абонентов практически не влияет на качество услуг для остальных пользователей, поскольку каждый получает выделенную линию до самого дома. В то же время абоненты кабельных систем совместно используют пропускную способность одного узла, и если кто-то начинает потреблять больше трафика, остальные пользователи ощущают перегруженность сети. Поэтому сегодня поставщики услуг кабельного интернета часто резервируют для пользователей большую пропускную способность, чем нужно. Большинство современных стандартов DOCSIS (например, DOCSIS 3.0) требуют от кабельных модемов деления минимум на четыре канала для достижения входящей скорости примерно в 170 Мбит/с, а исходящей — в 120 Мбит/с (где примерно 10 % пропускной способности занимают служебные данные).

В конечном счете максимальная скорость кабельного интернета ограничена возможностями коаксиального кабеля; в оптоволоконном кабеле доступный спектр намного больше. В кабельной сети скорость передачи данных в узле снижается по мере подключения к нему новых пользователей. В связи с этим кабельные провайдеры разделяют особо загруженные кабели, подключая каждый непосредственно к оптоволоконному узлу; эту практику иногда называют разделением узлов (node split). Как уже упоминалось, число домов из расчета на один узел неуклонно падает по мере прокладывания кабельными провайдерами оптоволокна все ближе к границе сети.

Кабельные, оптоволоконные и ADSL-сети доступны в разных регионах, а быстродействие сети зависит не только от самой технологии, но и от того, как именно она применяется. Большинство домашних пользователей в развитых странах имеют доступ к телефонной линии, но не все живут достаточно близко к оконечной телефонной станции, чтобы пользоваться ADSL. Некоторым приходится обходиться 56-килобитными модемными соединениями, особенно в сельской местности. На самом деле даже в США существуют обширные территории, где линия T1 со скоростью 1,544 Мбит/с является недоступной роскошью. В крупных городах Европы, благодаря большей плотности населения, оптоволоконный интернет на скорости 500 Мбит/с — обычное дело. Иногда скорость даже достигает 1 Гбит/с.

Кабельный интернет есть далеко не у всех. Если в вашем регионе проложен кабель и работает провайдер, то подключиться легко, при этом расстояние до оптоволоконного узла или головной станции значения не имеет. Однако в некоторых регионах, особенно малонаселенных, кабельное и оптоволоконное подключение остается проблемой. По большому счету, высокоскоростной доступ в интернет сегодня все еще зависит от прокладки кабеля или оптоволокна до домов. Все большее разделение узлов кабельных сетей требует проведения оптоволокна вглубь микрорайонов на замену существующей кабельной инфраструктуре. Даже в случае ADSL уже в нескольких километрах от центральной станции скорость существенно падает. Чтобы предоставить пользователям в малонаселенных районах высокую скорость, приходится прокладывать оптоволокно все ближе к краю сети, например до сетевого узла (FTTN). Все это стоит больших денег.

Исторически сложилось, что телефонная инфраструктура (и сети DSL) обычно более надежны, чем коаксиальный кабель. Однако по данным MBA Федеральной комиссии по связи, разрыв между ними постепенно сокращается, а большинство кабельных и DSL-сервисов достигают надежности в «две девятки» (они доступны 99 % времени, что означает несколько десятков часов простоя в год). Спутники и общегородские беспроводные сети менее надежны. Для сравнения: показатели обычной телефонной сети — «пять девяток», что соответствует всего нескольким минутам недоступности в год (см. работу Бишофа и др.; Bischof et al., 2018).

ADSL, будучи двухточечной средой передачи, по сути, более безопасна, чем кабель. Любой пользователь может считывать проходящие по кабелю пакеты вне зависимости от их истинного адресата. Поэтому любой уважающий себя поставщик услуг кабельного интернета шифрует весь трафик в обоих направлениях. Тем не менее ситуация, в которой сосед видит ваши зашифрованные сообщения, не так безопасна, как ситуация, в которой он не видит их вообще.

2.10.1. Распределение частот

Основная проблема, связанная со спектром электромагнитных волн, заключается в эффективном и справедливом распределении частот (spectrum allocation). Если разрешить множеству пользователей в пределах региона передавать данные в одном диапазоне, это, скорее всего, приведет к возникновению взаимных помех. Чтобы предотвратить полный хаос, существуют общенациональные и международные соглашения по использованию частот. Всем нужна высокая скорость передачи данных, а значит, и более широкий диапазон частот. Правительства выделяют части спектра для AM- и FM-радио, телевидения и мобильных телефонов, а также для телефонных компаний, полиции, судоходства, навигации, вооруженных сил, государственных служб и многих других конкурирующих пользователей. Одно из агентств МСЭ-R (WRC) пытается координировать выделение частот таким образом, чтобы можно было производить устройства, работающие во многих странах. Впрочем, рекомендации МСЭ-R необязательны для государств и иногда отвергаются Федеральной комиссией по связи, распределяющей частоты в США (обычно потому, что какая-нибудь могущественная политическая структура не хочет отдавать требуемую часть спектра).

Даже когда часть спектра выделяется под конкретные цели, например, для мобильной связи, остается вопрос распределения частот между компаниями. В прошлом широко применялись три алгоритма. Наиболее старый из них, «конкурс красоты» (beauty contest), требует от каждого оператора связи пояснить, почему его предложение лучше всего отвечает общественным интересам. Затем государственные служащие решают, какое из этих предложений нравится им больше всего. Распределение чиновниками объектов стоимостью в миллиарды долларов приводит к взяточничеству, коррупции и непотизму. Более того, даже кристально честному госслужащему, который сочтет, что иностранная компания лучше справится с задачей, чем любая из местных, придется давать много неприятных пояснений.

Это наблюдение привело к появлению второго алгоритма: лотереи (lottery) среди заинтересованных компаний. Но проблема с лотереями состоит в том, что участвовать в них могут даже компании, которые не собираются использовать выделенный им диапазон. Если конкурс выиграет, скажем, ресторан или обувной магазин, то он может просто перепродать спектр оператору связи с большой прибылью и безо всякого риска.

Ситуация, в которой случайные, но проворные компании получали колоссальные прибыли, никого не устраивала. В результате был придуман третий подход: распределение спектра путем торгов (auction), в которых выигрывает тот, кто предложит большую цену. Британское правительство, распродавая частоты для мобильных 3G-систем, ожидало выручить примерно $4 млрд, а получило около $40 млрд — все из-за ажиотажа среди операторов связи, до смерти боявшихся упустить лакомый кусочек. Это пробудило алчность в представителях других правительств, и они запустили свои собственные аукционы. Схема сработала, но некоторые операторы связи залезли в долги настолько, что оказались на грани банкротства. Даже в лучшем случае им понадобятся многие годы, чтобы окупить расходы на лицензию.

Существует и совершенно иной подход к выделению частот: вообще их не распределять, а вместо этого всем разрешить передачу на любой частоте, при этом регулируя мощность станций малой дальности, чтобы они не мешали друг другу. Именно поэтому правительства некоторых стран зарезервировали определенные полосы частот — так называемые ISM («Industrial, Scientific, Medical» — «промышленные, научные, медицинские») — для свободного использования. Дистанционное управление гаражными дверями, радиотелефоны, радиоуправляемые игрушки, беспроводные компьютерные мыши и многие другие беспроводные домашние устройства используют полосы ISM. Для минимизации взаимных помех между этими не согласованными между собой устройствами FCC требует ограничения мощности их передатчиков (например, до 1 Вт) и применения методик распределения сигналов по диапазону частот. Кроме того, эти устройства не должны мешать работе радиолокационных станций.

В разных странах расположение полос ISM в спектре отличается. Например, полосы частот, на которых сетевые устройства могут работать без лицензии в США, показаны на илл. 2.53. Полоса частот 900 МГц использовалась в первых версиях 802.11, но уже переполнена. Полоса частот 2,4 ГГц в большинстве стран доступна и широко используется для 802.11b/g и Bluetooth, хотя и подвержена помехам от микроволновых печей и радиолокационных станций. Часть спектра на частоте 5 ГГц включает диапазон U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure — «нелицензируемая национальная информационная инфраструктура»). Полосы 5 ГГц относительно малоразвиты, но благодаря наибольшей полосе пропускания и использованию их в таких спецификациях Wi-Fi, как 802.11ac, обрели немалую популярность и тоже перегружены.

Илл. 2.53. Полосы ISM и U-NII, используемые в США беспроводными устройствами

Не требующие лицензии полосы частот в последние десятилетия имели оглушительный успех. Возможность бесплатного использования части спектра привела к внедрению массы новшеств в беспроводных LAN и PAN. Об этом свидетельствует повсеместное внедрение таких технологий, как 802.11 и Bluetooth. Сегодня некоторые провайдеры даже предлагают технологию LTE-U, которая состоит в развертывании сотовой сети LTE в нелицензируемом диапазоне. Эта технология позволит мобильным устройствам работать на свободных частотах наряду со спектром, специально выделенным для сотовых сетей. Благодаря LTE-U проводные операторы, размещающие точки доступа Wi-Fi в миллионах домов, смогут превратить сеть точек доступа в сеть сотовых базовых станций. Конечно, при использовании сотовыми телефонами нелицензируемой части спектра могут возникнуть сложности. Например, устройства на этих частотах не должны мешать друг другу и по возможности уже существующим устройствам (incumbent devices) крупных операторов. Также возможны проблемы, связанные с надежностью и производительностью, ведь при использовании LTE-U устройствам приходится идти на компромиссы с другими устройствами в нелицензируемом спектре, от устройств Wi-Fi до радионянь.

Различные изменения в сфере регулирования за последние 10 лет открывают дорогу новым инновациям в сфере беспроводных технологий. Одно из таких изменений в США — тенденция к выделению дополнительных нелицензируемых частей спектра. В 2009 году FCC разрешила свободное использование «окон» (white spaces) в районе 700 МГц — выделенных, но не используемых на местном уровне полос частот. К освобождению этих «окон» привел полный переход с аналогового на цифровое телевидение в США в 2010 году. Сложность была в том, что нелицензируемые устройства должны были «видеть» все расположенные поблизости лицензируемые передатчики (включая беспроводные микрофоны), обладающие приоритетом на использование данных частот. Помимо этого, в 2001 году FCC открыла для работы без лицензии диапазон 57–64 ГГц. Это колоссальный кусок спектра, больше, чем все остальные ISM-полосы, вместе взятые. Он вполне способен поддерживать высокоскоростные сети, пригодные для беспроводного потокового телевещания в высоком качестве в пределах гостиной. В районе 60 ГГц радиоволны поглощаются кислородом. Это значит, что сигналы не способны распространяться на большое расстояние, но для сетей малой дальности этот диапазон вполне подходит. Высокие частоты (частота 60 ГГц относится к КВЧ — «миллиметровой» полосе частот, чуть ниже инфракрасного излучения) заставили изготовителей оборудования немало потрудиться, но сегодня соответствующие устройства уже есть на рынке.

В США были перепрофилированы и проданы на торгах и другие полосы спектра, включая 2,5 ГГц и 2,9 ГГц, 3,7–4,2 ГГц (С-диапазон, ранее используемый для спутниковой связи), а также 3,5, 6, 24, 28, 37 и 49 ГГц. FCC рассматривает возможность использования некоторых очень высоких частот для ближней связи, например диапазон 95 ГГц. В конце 2018 года FCC запустила первые торги по 5G и запланировала их продолжение на ближайшие годы. Это откроет для мобильной широкополосной связи значительную часть спектра и позволит получить более высокую пропускную способность, необходимую для приложений потоковой видеопередачи и IoT. На частотах 24 и 28 ГГц выставляется на продажу примерно по 3000 лицензий. При этом FCC предоставляет скидки малому бизнесу и операторам, работающим в сельской местности. Также запланированы торги на частоты 37, 39 и 49 ГГц. В других странах некоторые из этих диапазонов не подлежат лицензированию. Например, автомобильная промышленность в Германии успешно пролоббировала выделение полосы 3,5 ГГц для частных компаний; остальные европейские страны, вероятно, вскоре последуют ее примеру.

1. Является ли нефтепровод симплексной, полудуплексной или полнодуплексной системой (или ни одной из них)? А река или связь по рации?

2. В чем состоят преимущества и недостатки (если они есть) оптоволоконного кабеля над медными проводами в качестве среды передачи данных?

3. Какова полоса пропускания 0,1 мкм спектра на длине волны в 1 мкм?

4. Необходимо передать последовательность снимков экрана компьютера по оптоволоконному кабелю. Разрешение экрана составляет 3840 × 2160 пикселей, каждый из которых занимает 24 бита. Какая скорость передачи данных потребуется при частоте 60 снимков экрана в секунду?

5. На илл. 2.5 полоса частот слева уже, чем остальные. Почему?

6. Сегодня операции, выполняемые цифровыми компьютерами, реализуются с помощью электрических сигналов. Как бы изменилась цифровая связь, если бы их удалось эффективно реализовать с помощью лазера? Почему современные компьютеры так не работают?

7. Радиоантенны зачастую работают наилучшим образом, если их диаметр равен длине радиоволны. Диаметр обычной антенны варьируется от 1 см до 1 м. Какому диапазону частот это соответствует?

8. Многолучевое замирание максимально, если расхождение двух лучей по фазе составляет 180 градусов. При какой разности путей достигается максимальное замирание для соединения 1 ГГц длиной 100 км?

9. Лазерный луч 1 мм шириной нацелен на датчик 1 мм шириной, расположенный на расстоянии 100 м на крыше здания. При каком угловом отклонении (в градусах) луч промахнется мимо датчика?

10. Вычислите коэффициенты Фурье для функции f(t) = t (0 ≤ t ≤ 1).

11. Двоичный сигнал на частоте 5 ГГц посылается по каналу с соотношением сигнал/шум в 40 дБ. Какова минимальная верхняя граница максимальной скорости передачи данных? Поясните свой ответ.

12. Измерения канала 3 кГц без помех берутся каждую миллисекунду. Какова максимально возможная скорость передачи данных? Как изменится максимальная скорость передачи данных, если канал зашумлен с соотношением сигнал/шум в 30 дБ?

13. Справедлива ли теорема Найквиста для высококачественного одномодового оптоволоконного кабеля или только для медных проводов?

14. Ширина телевизионных каналов составляет 6 МГц. Сколько бит в секунду можно отправить по такому каналу при использовании четырехуровневых цифровых сигналов? Предполагается, что канал не зашумлен.

15. Какова максимально достижимая скорость передачи данных при отправке двоичного сигнала по каналу 3 кГц с соотношением сигнал/шум в 20 дБ?

16. По каналу с кодированием 4B/5B отправляются данные со скоростью 64 Мбит/с. Какова минимальная полоса пропускания, используемая этим каналом?

17. На квадратурной диаграмме все точки лежат на горизонтальной оси. Какая модуляция при этом используется?

18. Может ли станция, использующая QAM-64, отправлять 3 бита на символ? Поясните почему.

19. Какова минимальная полоса пропускания, необходимая для достижения скорости передачи данных в B бит/с, если сигнал передается с помощью NRZ, MLT-3 или манчестерского кодирования? Поясните свой ответ.

20. Докажите, что при кодировании данных 4B/5B при помощи NRZI тактовые переходы будут происходить по крайней мере через каждые четыре бита.

21. В квадратурной диаграмме модема, аналогичной представленной на илл.. 2.17, точки данных находятся на следующих координатах: (1, 1), (1, –1), (–1, 1) и (–1, –1). Какой скорости (в битах в секунду) может достичь модем с такими параметрами при 1200 символов/с?

22. Сколько частот использует полнодуплексный модем QAM-64?

23. Десять сигналов, требующих по 4000 Гц каждый, мультиплексируются в единый канал с помощью FDM. Какая минимальная полоса пропускания необходима для этого мультиплексированного канала? При этом ширина защитных полос частот составляет по 400 Гц.

24. Пусть A, B и C одновременно передают биты 0 с помощью CDMA-системы с последовательностью элементарных сигналов с илл. 2.22 (а). Какая последовательность элементарных сигналов получится в итоге?

25. При обсуждении ортогональности последовательностей элементарных сигналов CDMA мы утверждали, что если S · T = 0, то и S · = 0. Докажите это утверждение.

26. Рассмотрим свойство ортогональности последовательностей элементарных сигналов CDMA с другой стороны. Каждая пара битов из двух последовательностей может совпадать или не совпадать. Объясните свойство ортогональности с точки зрения совпадения/несовпадения битов.

27. Приемник CDMA получает следующие элементарные сигналы: (–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1). Предположим, что исходные последовательности представлены на илл. 2.22 (а). Какие станции осуществляли передачу и какие биты отправила каждая из них?

28. На илл. 2.22 представлены четыре станции, способные передавать сигналы. Добавим сюда еще четыре станции. Укажите последовательности элементарных сигналов для них.

29. Какова вероятность того, что нормализованное внутреннее произведение двух случайных последовательностей из 128 элементарных сигналов будет равно 1/4 или больше?

30. Как в телефонных (стационарных), так и в телевизионных сетях множество конечных пользователей подключается к одной оконечной станции, головной станции или оптоволоконному узлу. Могут ли эти системы обеспечить большую устойчивость к ошибкам, чем обычные телефонные сети, которые мы обсуждали в главе 1?

31. Сколько кодов оконечных станций было до 1984 года, когда все обозначались трехзначным кодом региона и первыми тремя цифрами местного номера? Коды регионов начинались с любой цифры от 2 до 9, второй цифрой был 0 или 1, заканчиваться они могли любой цифрой. Первые две цифры всех локальных номеров находились в диапазоне от 2 до 9. Третья цифра могла быть любой.

32. Простая телефонная система состоит из двух оконечных станций, подключенных к одной междугородней станции посредством полнодуплексной соединительной линии в 1 МГц. В среднем за 8-часовой рабочий день с каждого телефона производится четыре звонка. Средняя длительность звонка составляет 6 минут. Десять процентов звонков — междугородние/международные (то есть проходят через междугороднюю телефонную станцию). Какое максимальное число телефонов может поддерживать оконечная станция при ширине канала 4 кГц? Поясните, почему телефонная компания может принять решение о поддержке меньшего числа телефонов, чем максимально позволяет оконечная станция.

33. Число абонентов региональной телефонной компании — 15 млн. Их телефоны подключены к центральной станции при помощи медной витой пары. Средняя длина витых пар составляет 10 км. Поперечное сечение каждой кабельной жилы представляет собой круг диаметром 1 мм, плотность меди равна 9 г/см3, а продать ее можно по $6 за килограмм. Какова суммарная стоимость меди в абонентских шлейфах?

34. Какова максимальная скорость передачи данных, доступная на модеме стандарта V.32, если скорость передачи в бодах составляет 4800 и коррекция ошибок не применяется?

35. Стоимость быстрого микропроцессора упала настолько, что его можно ставить в каждый модем. Как это повлияет на обработку ошибок в телефонных линиях? Можно ли благодаря этому отказаться от проверки/коррекции ошибок на уровне 2?

36. Использующая DMT ADSL-система выделяет 3/4 доступных каналов передачи данных на нисходящее соединение. В каждом канале при этом используется модуляция QAM-64. Какова пропускная способность нисходящего соединения?

37. Почему интервал дискретизации по времени PCM установлен в 125 мкс?

38. Какое соотношение сигнал/шум необходимо для работы системы связи T1 на канале 1 МГц?

39. Сравните максимальную скорость передачи данных канала шириной 4 кГц без помех при использовании:

а) аналогового кодирования (например, QPSK) при 2 битах на измерение;

б) системы T1 PCM.

40. В случае сбоя и рассинхронизации система связи T1 пытается заново синхронизироваться по первым битам фреймов. Сколько фреймов необходимо просмотреть (в среднем) для повторной синхронизации с вероятностью ошибки 0,001?

41. Каков процент накладных расходов в канале T1 (то есть какой процент от пропускной способности в 1,544 Мбит/с недоступен для конечного потребителя)? Как он соотносится с аналогичным показателем для каналов OC-1 и OC-768?

42. Синхросигнал SONET сдвигается с приблизительной скоростью 1 такт на 109. Через какое время смещение станет равно 1 биту? Каково практическое значение этого расчета?

43. На илл. 2.35 скорость передачи пользовательских данных для OC-3 равна 148 608 Мбит/с. Выведите это значение из параметров SONET OC-3. Чему будут равны общая скорость, SPE и скорость передачи пользовательских данных для канала OC-3072?

44. Для работы с более низкими скоростями, чем в STS-1, SONET использует систему виртуальных трибутарных потоков (virtual tributaries, VT). VT представляет собой часть пользовательских данных, которую можно вставить во фрейм STS-1, заполняя фрейм данных в сочетании с другими частями пользовательских данных. В VT1.5 используется 3 столбца, в VT2 — 4, в VT3 — 6, а в VT6 — 12 столбцов фрейма STS-1. Какой VT подойдет для:

а) сервиса DS-1 (1,544 Мбит/с)?

б) европейского сервиса CEPT-1 (2,048 Мбит/с)?

в) сервиса DS-2 (6,312 Мбит/с)?

45. Чему равна доступная для пользователя полоса пропускания соединения OC-12c?

46. В чем состоит различие (если оно вообще есть) между демодулятором (часть модема) и кодером (часть кодека)? (В конце концов, и тот и другой служат для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.)

47. Каждая из трех сетей с коммутацией пакетов содержит n узлов. Топология первой из них — типа «звезда» с коммутатором в центре, второй — двунаправленное кольцо, а третья — полносвязная (все узлы в ней соединены проводами между собой). Какова длина пути передачи на транзитных участках в худшем, среднем и наилучшем случаях?

48. Сравните время задержки при пересылке сообщения размером x бит по состоящему из k-транзитных участков пути в сети с коммутацией каналов и (не слишком загруженной) сети с коммутацией пакетов. Время подготовки канала равно s cекунд, задержка распространения сигнала — d секунд на участок, размер пакета — p бит, скорость передачи данных b бит/с. При каких условиях время задержки пакетной сети будет меньше? Объясните, при каких условиях сеть с коммутацией пакетов предпочтительнее сети с коммутацией каналов.

49. Необходимо передать x бит пользовательских данных по состоящему из k-транзитных участков пути в сети с коммутацией каналов в виде последовательности пакетов; каждый пакет содержит p бит данных и h бит заголовка, причем x >> p + h. Скорость передачи данных канала равна b бит/с; задержкой распространения сигнала можно пренебречь. При каком значении p общее время задержки окажется минимальным?

50. В типичной системе мобильной связи с шестиугольными сотами запрещается повторно использовать полосу частот в смежной соте. Сколько частот можно использовать в конкретной соте, если всего для использования доступно 840 частот?

51. На самом деле соты редко располагаются столь равномерно, как показано на илл. 2.39. Даже форма отдельных сот обычно неправильная. Приведите возможные причины этого явления. Как неправильная форма соты влияет на распределение в ней частот?

52. Оцените приблизительно число микросот PCS диаметром 100 м, необходимое для покрытия всего Сан-Франциско (120 кв. км).

53. Иногда в мобильной сети при пересечении пользователем границы между двумя сотами звонок внезапно обрывается, хотя все передатчики и приемники функционируют идеально. Почему?

54. Телефонные системы на низком уровне обладают звездчатой топологией, все абонентские шлейфы в микрорайоне сходятся в одной оконечной станции. И напротив, система кабельного телевидения состоит из одного длинного кабеля, извивающегося между всеми домами микрорайона. Допустим, телевизионный кабель представляет собой 10-Гбит/с оптоволокно, а не медный провод. Можно ли с его помощью имитировать телефонную модель, при которой у каждого пользователя есть свой личный канал к оконечной станции? Если да, сколько домов с одним телефонным номером в каждом можно подключить к одному такому оптоволоконному кабелю?

55. Система кабельного телевидения насчитывает 100 коммерческих каналов, в которых телевизионные программы чередуются с рекламой. Что это больше напоминает: TDM или FDM?

56. Кабельная компания хочет предоставить интернет-доступ в микрорайон, который состоит из 5000 домов. Она использует коаксиальный кабель и распределение спектра, что обеспечивает пропускную способность 100 Мбит/с в нисходящем направлении из расчета на кабель. Для привлечения абонентов компания гарантирует каждому абоненту постоянную пропускную способность минимум 2 Мбит/с в нисходящем направлении. Опишите, что потребуется этой компании для реализации этих гарантий.

57. Опираясь на распределение спектра из илл. 2.46 и приведенную в тексте информацию, вычислите, какую пропускную способность (в мегабитах в секунду) выделяет кабельная система в исходящем и входящем направлениях.

58. С какой скоростью пользователь кабельного интернета может принимать данные, если сеть больше ничем не загружена? При этом интерфейс пользователя представляет собой:

а) 10-Мбит/с Ethernet;

б) 100-Мбит/с Ethernet;

в) 54-Мбит/с беспроводной канал.

59. 66 низкоорбитальных спутников проекта Iridium разделены на шесть цепочек, огибающих Землю. Период их обращения составляет 90 минут. Каков в этом случае средний промежуток передачи обслуживания для неподвижного передатчика?

60. Представьте спутник, расположенный на высоте геостационарных спутников, орбитальная плоскость которого наклонена к экваториальной плоскости на угол φ. Будет ли этот спутник казаться неподвижно висящим в небе непо­движному наблюдателю, находящемуся на земной поверхности на широте φ градусов (в Северном полушарии)?

61. Вычислите сквозное время прохождения пакета для геостационарных спутников (высота над земной поверхностью 35 800 км), среднеорбитальных спутников (высота 18 000 км) и низкоорбитальных спутников (высота 750 км).

62. Чему будет равно время задержки звонка с Северного полюса на Южный, если он проходит через спутники Iridium? При этом время коммутации на спутниках равно 10 мс, а радиус Земли — 6371 км.

63. Сколько времени займет передача файла размером в 1 Гбайт с одной VSAT на другую при использовании приведенного на илл. 2.50 концентратора? При этом скорость исходящего канала — 1 Мбит/с, входящего — 7 Мбит/с; используется коммутация каналов со временем подготовки канала 1,2 с.

64. Вычислите время передачи в предыдущем упражнении при использовании коммутации пакетов вместо коммутации каналов при размере пакета в 64 Кбайт, задержке коммутации на спутнике и концентраторе 10 мкс и размере заголовка пакета 32 байта.

65. Мультиплексирование нескольких потоков данных STS-1, называемых трибутарными, играет важную роль в SONET. Мультиплексор 3:1 мультиплексирует три входных трибутарных потока STS-1 в один выходной поток STS-3. Это происходит побайтно. То есть роль первых трех выходных байтов играют первые байты трибутарных потоков 1, 2 и 3 и т.д. Напишите программу, моделирующую такой мультиплексор 3:1. Программа должна включать пять процессов. Основной процесс создает четыре процесса: по одному для каждого из трех входных трибутарных потоков STS-1 и один для мультиплексора. Каждый из трибутарных процессов читает фрейм STS-1 из входного файла в виде последовательности из 810 байт и отправляет свои фреймы (побайтно) процессу-мультиплексору. Процесс-мультиплексор получает эти байты и выдает фрейм STS-3 (побайтно) для записи в стандартный поток вывода. Для обмена сообщениями между процессами используйте конвейеры.

66. Напишите программу, реализующую CDMA. Длина последовательности элементарных сигналов — 8, а число передающих станций — 4. Ваша программа должна состоять из трех наборов процессов: четырех процессов-передатчиков (t0, t1, t2 и t3), одного объединяющего процесса и четырех процессов-приемников (r0, r1, r2 и r3). Основная программа, играющая также роль объединяющего процесса, сначала считывает четыре последовательности элементарных сигналов (в биполярном формате) из стандартного потока ввода и последовательность из 4 бит (по одному на каждый процесс-передатчик) и порождает четыре пары процессов-передатчиков и процессов-приемников. Каждой паре процессов-передатчиков/приемников (t0,r0; t1,r1; t2,r2; t3,r3) назначается последовательность элементарных сигналов, а каждому процессу-передатчику соответствует 1 бит (первый бит — процессу t0, второй бит — t1 и т.д.). Далее каждый процесс-передатчик вычисляет сигнал для передачи (последовательность из 8 бит) и отправляет его объединяющему процессу. После получения сигналов от всех четырех процессов-передатчиков объединяющий процесс объединяет их и отправляет результат четырем процессам-приемникам. Каждый процесс-приемник вычисляет полученный бит и выводит его в стандартный поток вывода. Для обмена сообщениями между процессами используйте конвейеры.

1. Обеспечение строго очерченного служебного интерфейса для сетевого уровня (раздел 3.1.1).

2. Формирование отдельных фреймов из последовательностей байтов (раздел 3.1.2).

3. Обнаружение и исправление ошибок передачи (раздел 3.1.3).

4. Управление потоком данных, исключающее «затопление» медленных приемников быстрыми передатчиками (раздел 3.1.4).

Для этих целей канальный уровень берет пакеты, полученные с сетевого уровня, и вставляет их в специальные фреймы (frames), также называемые кадрами, для передачи. В каждом фрейме содержатся поля Header (Заголовок), Payload (Пользовательские данные) и Trailer (Трейлер). Структура фрейма показана на илл. 3.1. Управление фреймами — это основная задача канального уровня. В следующих разделах мы более подробно изучим обозначенные выше цели. Кроме того, в ненадежных беспроводных сетях использование протоколов для улучшения канала связи часто увеличивает производительность в дальнейшем.

Илл. 3.1. Соотношение между пакетами и фреймами

Эта глава в основном посвящена детальному рассмотрению канального уровня и соответствующих протоколов. Но многие обсуждаемые здесь вопросы (например, контроль ошибок и управление потоками) в некоторых сетях относятся также к транспортным и другим протоколам. Обеспечение надежности — это общая цель, для достижения которой должны слаженно работать все уровни. На самом деле во многих сетях эти функции являются прерогативой верхних уровней и вообще не относятся к канальному уровню, который выполняет лишь простейшие задачи. С другой стороны, это не столь важно, потому что принципы все равно остаются неизменными. Аргументом в пользу их рассмотрения на примере канального уровня является то, что здесь они проявляются в наиболее простой форме и их легко показать в деталях.

3.2.1. Корректирующие коды

Мы рассмотрим четыре разных корректирующих кода:

3.3.1. Исходные упрощающие допущения

Независимые процессы. Для начала предположим, что физический, канальный и сетевой уровни являются независимыми процессами, которые взаимодействуют между собой путем передачи сообщений. Типичная реализация показана на илл. 3.10. Процесс физического уровня и часть процесса канального уровня выполняются на специальном оборудовании: сетевой интерфейсной карте (Network Interface Card, NIC). Остальная часть процесса канального уровня и процесс сетевого уровня осуществляются на центральном процессоре (ЦП), являясь частью операционной системы. При этом программное обеспечение процесса канального уровня зачастую принимает вид драйвера устройства. Также возможны другие варианты реализации, например, три процесса, выполняющиеся на сетевом ускорителе или на ЦП с программно определяемой частотой. На самом деле оптимальная реализация меняется с течением времени

Илл. 3.10. Реализация физического, канального и сетевого уровней

по мере развития технологий. В любом случае представление трех уровней в виде отдельных процессов делает их обсуждение концептуально более четким, а также подчеркивает их независимость друг от друга.

Однонаправленная передача данных. Следующее ключевое допущение состоит в том, что устройство A хочет отправить на устройство B большой поток данных, используя надежную, ориентированную на установление соединений службу. Позднее мы рассмотрим случай, когда одновременно с этим B также хочет передать данные на A. Предполагается, что устройство A имеет бесконечный источник данных, готовых к отправке, и что ему никогда не нужно ждать их генерации. Когда канальный уровень A запрашивает данные, сетевой уровень их сразу же предоставляет. (Это ограничение позже будет отброшено.)

Надежные устройства и процессы. Также предполагается, что компьютеры не выходят из строя. При передаче могут возникать ошибки, но не проблемы, связанные с поломкой оборудования или случайной перезагрузкой.

С точки зрения канального уровня пакет, полученный по интерфейсу от сетевого уровня, рассматривается как чистые данные, и каждый бит должен быть доставлен сетевому уровню принимающего устройства. Тот факт, что он может интерпретировать часть пакета как заголовок, не касается канального уровня.

3.4.1. Цель: двунаправленная передача, отправка сразу нескольких фреймов

Ниже представлен метод так называемого вложенного подтверждения, позволяющий протоколу канального уровня обеспечить двунаправленную (дуплексную) передачу, а также метод раздвижного окна, позволяющий повысить эффективность передачи за счет отправки сразу нескольких фреймов.

3.5.1. Передача пакетов по каналам SONET

SONET, с которым мы познакомились в разделе 2.5.3, — это протокол физического уровня, наиболее часто используемый в оптоволоконных каналах, которые составляют магистраль различных коммуникационных сетей, включая телефонную. SONET обеспечивает строго определенную скорость передачи данных (например, 2,4 Гбит/с в канале OC-48). Поток битов организован в виде пакетов фиксированного размера, которые посылаются каждые 125 мкс, независимо от наличия в них пользовательских данных.

Чтобы передавать пакеты по таким каналам, необходим некоторый механизм формирования фреймов, способный отличать возникающие иногда пакеты от непрерывного потока битов, в котором они передаются. Для этого на IP-маршрутизаторах работает протокол PPP, как показано на илл. 3.23.

Илл. 3.23. Передача пакета по каналам SONET. (а) Стек протоколов. (б) Взаимоотношения между фреймами

PPP — это улучшенный вариант более простого интернет-протокола для последовательной линии SLIP (Serial Line Internet Protocol). Он обнаруживает ошибки, поддерживает несколько протоколов, разрешает аутентификацию и выполняет ряд других задач. Благодаря широкому набору параметров PPP может использоваться в качестве трех основных методов.

1. В сети Ethernet для разделения фреймов используется преамбула в сочетании со счетчиком байтов. Что произойдет, если пользователь попытается отправить данные, содержащие такую преамбулу?

2. В потоке данных, для которого применяется алгоритм байт-стаффинга, встречается следующий фрагмент данных: A B ESC C ESC FLAG FLAG D. Каким будет выходной поток после выполнения алгоритма?

3. Каковы максимальные накладные расходы для алгоритма байт-стаф­финга?

4. Вы принимаете следующий фрагмент данных: 0110 0111 1100 1111 0111 1101. При этом известно, что протокол использует бит-стаффинг. Как будут выглядеть эти данные после удаления вставленных битов?

5. Может ли потеря, вставка или модификация одного бита при использовании бит-стаффинга вызвать ошибку, которую нельзя будет выявить с помощью контрольной суммы? Если нет, то почему? Если да, то каким образом? Играет ли при этом какую-либо роль длина контрольной суммы?

6. Сообщение верхнего уровня разбито на 10 фреймов, у каждого из которых шанс дойти до назначения без повреждений составляет 80 %. Если канальный уровень не обеспечивает контроль ошибок, сколько раз в среднем потребуется пересылать все сообщение?

7. При каких обстоятельствах протокол без обратной связи (например, с кодом Хэмминга) предпочтительнее протоколов с обратной связью, обсуждаемых в этой главе?

8. Для обеспечения большей надежности, чем та, которую предоставляет единственный бит четности, в некотором коде с обнаружением ошибок один бит четности суммирует все четные биты, а другой — все нечетные. Каким будет у этого кода расстояние Хэмминга?

9. Заметив, что используемая вами служба обмена мгновенными сообщениями не обеспечивает обнаружения ошибок, вы решили сами реализовать простейший механизм их выявления путем двукратной отправки каждого сообщения. Какими при этом будут расстояние Хэмминга и кодовая норма? Насколько эффективен этот способ в сравнении с использованием бита четности?

10. Допустим, вы обеспечиваете обнаружение ошибок путем двукратной отправки каждого сообщения. Если возникнут две однобитные ошибки, какова вероятность того, что они останутся незамеченными? Какой будет эта вероятность при использовании бита четности? Какой метод позволяет выявлять больше ошибок?

11. 8-битный байт с двоичным значением 10101111 необходимо закодировать, используя код Хэмминга с четным количеством единиц. Как будет выглядеть двоичное значение после кодирования?

12. 8-битный байт с двоичным значением 10011010 необходимо закодировать, используя код Хэмминга с нечетным количеством единиц. Как будет выглядеть двоичное значение после кодирования?

13. Приемник получает 12-битный код Хэмминга с контролем четности, шестнадцатеричное значение которого равно 0xB4D. Как (в шестнадцатеричном виде) выглядела исходная последовательность? Предполагается, что ошибочным может быть только 1 бит.

14. У кодов Хэмминга расстояние равно 3, что позволяет с их помощью исправлять одиночные ошибки или выявлять двойные. Можно ли применять их для одновременного выполнения обеих задач? Обоснуйте свою точку зрения. Сколько ошибок может быть исправлено, если расстояние Хэмминга равно n? А сколько обнаружено?

15. Имеется протокол, в котором на каждые 16 байт данных сообщения добавляется 1 байт избыточных данных. Может ли этот протокол использовать код Хэмминга для исправления одиночных ошибок?

16. Один из способов обнаружения ошибок заключается в передаче данных в виде блока из n рядов по k бит с добавлением битов четности к каждому ряду и каждой строке. Бит в нижнем правом углу — это бит четности, проверяющий свою строку и столбец. Будет ли такая схема выявлять все одиночные ошибки? Двойные? Тройные? Докажите на примере, что эта схема не в состоянии обнаруживать некоторые четырехбитные ошибки.

17. Сколько ошибок можно обнаружить и исправить в предыдущей задаче?

18. Составьте формулу для вычисления минимального количества избыточных битов r, добавляемых в сообщение m с целью исправления всех одиночных и двойных ошибок.

19. Принимая во внимание ответ на предыдущий вопрос, объясните по­пулярность сложных вероятностных механизмов исправления ошибок, таких как рассмотренные в данной главе сверточные коды и коды LDPC.

20. Предположим, что данные передаются в блоках размером 1000 бит. Каков максимальный коэффициент ошибок, при котором механизм с обнаружением ошибок и повторной передачей (1 бит четности на блок) покажет себя лучше, чем код Хэмминга? Предполагается, что ошибки в битах не зависят друг от друга, а во время повторной передачи они не возникают.

21. В блоке битов из n строк и k столбцов используются горизонтальные и вертикальные биты четности для обнаружения ошибок. Какова вероятность того, что инверсия 4 бит не будет обнаружена?

22. Предположим, что сообщение 1001 1100 1010 0011 передается с использованием контрольной суммы для интернета (4-битное слово). Какова будет контрольная сумма?

23. Чему равен остаток от деления x7 + x5 + 1 на образующий многочлен x3 + 1?

24. Поток битов 10011101 передается с использованием стандартного метода циклического избыточного кода (CRC), описанного в данной главе. Образующий многочлен равен x3 + 1. Какая битовая последовательность будет реально передаваться? Предполагается, что третий бит слева при передаче инвертировался. Докажите, что эта ошибка будет обнаружена приемником. Приведите пример ошибок в битах передаваемой строки, которые приемник обнаружить не сможет.

25. Поток битов 11100110 передается с использованием стандартного метода циклического избыточного кода (CRC), описанного в этой главе. Образующий многочлен равен x4 + x3 + 1. Какая битовая последовательность будет реально передаваться? Предполагается, что третий бит слева при передаче инвертировался. Докажите, что эта ошибка будет обнаружена приемником. Приведите пример ошибок в битах передаваемой строки, которые приемник обнаружить не сможет.

26. Протоколы канального уровня всегда размещают код CRC в трейлере, а не в заголовке. Почему?

27. При обсуждении протокола ARQ приводился пример сценария, в котором получатель принимает две копии одного и того же фрейма из-за потери подтверждения. Возможно ли, что получатель примет несколько копий одного фрейма, если ни один из фреймов (данных или подтверждения) утерян не будет?

28. Скорость передачи данных в канале составляет 4 Кбит/с, а время распространения сигнала — 20 мс. При каком размере фреймов эффективность протокола с остановкой и ожиданием составит по меньшей мере 50 %?

29. Протоколы A и B различаются только размером посылающего окна. Протокол A использует окно передачи размером 20 фреймов. B представляет собой протокол с остановкой и ожиданием. Эти протоколы используются в двух одинаковых каналах. Если A обеспечивает почти 100%-ю эффективность использования пропускной способности, то каков этот показатель у B?

30. Протокол с остановкой и ожиданием обеспечивает 25%-ю эффективность использования пропускной способности, передавая 900-битные фреймы по каналу с задержкой односторонней передачи 50 мс. Чему равна пропускная способность этого канала в битах в секунду?

31. Протокол с остановкой и ожиданием обеспечивает 60%-ю эффективность использования пропускной способности, передавая 300-битные фреймы по каналу, пропускная способность которого равна 50 Кбит/с. Чему равна задержка односторонней передачи у этого канала?

32. Протокол с остановкой и ожиданием передает 800-битные фреймы по каналу с задержкой односторонней передачи 8 мс и с пропускной способностью 1200 Кбит/с. Какова при этом эффективность использования пропускной способности?

33. Протокол «раздвижного окна» использует 1000-битные фреймы и фиксированный размер посылающего окна, равный 3. Он обеспечивает почти 100%-ю эффективность использования пропускной способности канала, которая равна 250 Кбит/с. Вы решили использовать этот протокол в более мощном канале. У него такая же величина задержки, а пропускная способность в два раза больше. Какую эффективность использования пропускной способности обеспечит данный протокол в новом канале?

34. Возможно ли, что в протоколе 3 отправитель запустит таймер, когда тот уже работает? Если да, то в какой ситуации? Если нет, то почему?

35. Кабель T1 длиной 3000 км используется для передачи 64-байтных фреймов при помощи протокола 5. Если задержка распространения сигнала составляет 6 мкс/км, сколько битов следует выделить для порядковых номеров фреймов?

36. Представьте себе протокол «раздвижного окна», в котором так много битов на порядковые номера фреймов, что номера никогда не используются дважды. Какое соотношение должно связывать четыре границы окна и его размер (постоянный и одинаковый для отправителя и получателя)?

37. Когда прибывает фрейм данных, протокол 6 проверяет, отличается ли его номер от ожидаемого и равна ли переменная no_nak значению true. При выполнении обоих условий посылается NAK. В противном случае запускается вспомогательный таймер. Предположим, что в тексте программы пропущен оператор else. Повлияет ли это на правильность работы протокола?

38. Предположим, что из конца текста программы протокола 6 удалены три строки цикла while. Повлияет ли это на правильность работы протокола или же только на его быстродействие? Обоснуйте ваш ответ.

39. Допустим, в условиях предыдущей задачи используется другой протокол — протокол «раздвижного окна». При каком размере окна отправителя коэффициент загруженности канала будет равен 100 %? Время на обработку протокола на стороне отправителя и получателя можно не учитывать.

40. Допустим, в коде протокола 6 из оператора switch будет удален случай, соответствующий возникновению ошибок в контрольной сумме. Как это изменение скажется на работе протокола?

41. В протоколе 6 код для frame_arrival содержит раздел, используемый для отрицательных подтверждений (NAK). Этому участку программы передается управление, когда получаемый фрейм представляет собой NAK и выполняется другое условие. Приведите пример сценария, в котором наличие этого условия является важным.

42. Протокол 6 применяется на свободной от ошибок линии со скоростью 1 Мбит/с. Максимальный размер фрейма 1000 бит. Новые пакеты формируются примерно один раз в секунду. Интервал тайм-аута установлен на период 10 мс. Если отключить специальный таймер подтверждений, то будут происходить лишние тайм-ауты. Сколько раз в среднем будет передаваться одно сообщение?

43. В протоколе 6 значение MAX_SEQ = 2n – 1. Разумеется, это желательное условие для эффективного использования битов заголовка, но его необходимость не доказана. Будет ли протокол корректно работать, например, при MAX_SEQ = 4?

44. Фреймы длиной 1000 бит посылаются по спутниковому каналу с пропускной способностью 1 Мбит/с и временем прохождения 270 мс. Подтверждения всегда вкладываются во фреймы данных. Заголовки фреймов очень короткие. Используются 3-битные порядковые номера. Какой будет максимальная эффективность использования канала при применении:

1) протокола с остановкой и ожиданием;

2) протокола 5;

3) протокола 6?

45. Отрицательные подтверждения вызывают немедленные ответные действия отправителя. При этом отсутствие положительных подтверждений запускает реакцию лишь по прошествии некоторого периода ожидания. Можно ли создать надежный канал связи, используя только отрицательные подтверждения? Если это возможно, приведите пример. Если это невозможно, объясните почему.

46. Предположим, безошибочный спутниковый канал с пропускной способностью 64 Кбит/c используется для пересылки 512-байтных фреймов данных в одном направлении с очень короткими подтверждениями, идущими в обратном направлении. Какова будет максимальная скорость передачи данных при размере окна, равном 1, 7, 15 и 127? Время распространения сигнала от Земли до спутника — 270 мс.

47. Кабель длиной в 100 км работает на скорости T1. Скорость распространения сигнала равна 2/3 от скорости света в вакууме. Сколько битов помещается в кабеле?

48. Назовите хотя бы одну причину, по которой в протоколе PPP применяется байт-стаффинг вместо бит-стаффинга (это предотвращает ошибку синхронизации фреймов из-за случайно встретившегося в поле данных флагового байта).

49. Каковы минимальные накладные расходы при пересылке IP-пакета по протоколу PPP? Учитывайте только накладные расходы самого PPP, а не заголовки IP. Каковы максимальные накладные расходы?

50. Следующий поток данных пересылается с помощью PPP по сетям SONET: ESC FLAG FLAG ESC. Какая последовательность байтов пересылается в качестве пользовательских данных? Напишите свой ответ в виде байтовых последовательностей, каждая из которых состоит из восьми единиц или нулей. ESC можно представить с помощью битовой последовательности 01111101, а FLAG — с помощью битовой последовательности 01111110.

51. IP-пакет длиной 100 байт передается по абонентскому шлейфу с использованием стека протоколов ADSL. Сколько ячеек ATM будет передано? Кратко опишите их содержимое.

52. Цель данного упражнения — реализация механизма обнаружения ошибок с помощью стандартного алгоритма циклического избыточного кода (CRC), описанного в тексте. Напишите две программы: генератор (generator) и верификатор (verifier). Программа-генератор считывает со стандартного устройства ввода n-битовое сообщение из нулей и единиц, представленных в виде строки ASCII-текста. Вторая строка является k-битовым многочленом (также в ASCII). На устройстве вывода мы получаем текст из n + k нулей и единиц, представляющий собой сообщение, подлежащее пересылке. Затем выводится многочлен — в том же виде, в каком он был считан. Программа-верификатор считывает результат работы генератора и выводит сообщение, в котором обозначено, корректен ли данный результат. После этого напишите программу alter, вносящую сбой, а именно инвертирующую только один бит первой строки в зависимости от аргумента (например, порядкового номера бита, предполагая, что слева располагается бит с номером 1). Все остальные данные передаются без изменений. Набрав

generator <file | verifier

пользователь должен увидеть сообщение о том, что данные переданы корректно. Набрав

generator <file | alter arg | verifier

пользователь должен получить сообщение об ошибке при передаче.

4.1.1. Статическое распределение канала

Традиционный способ распределения канала (например, телефонной линии) между многочисленными конкурирующими пользователями — разделение его пропускной способности с помощью одной из схем мультиплексирования, рассмотренных нами в разделе 2.4.4 (например, FDM). При наличии N пользователей полоса пропускания делится на N диапазонов одинаковой ширины, и каждому пользователю предоставляется один из них. Поскольку при такой схеме у каждого пользователя своя личная частотная полоса, то конфликтов не возникает. При небольшом и постоянном числе абонентов, передающих стабильный поток или большие партии трафика, это простой и эффективный механизм распределения. Аналогичный пример для беспроводной связи — радиостанции FM-диапазона. Каждая станция получает часть FM-полосы и большую часть времени передает по ней свой сигнал.

Однако при большом и постоянно меняющемся числе пользователей или неравномерном трафике FDM не обеспечивает достаточно эффективного распределения. Если в какой-то момент отправителей меньше, чем частей спектра, то значительная часть полосы пропускания простаивает. И наоборот, если пользователей больше, то некоторым из них придется отказать в доступе, даже если уже подключенные абоненты почти не используют канал.

Предположим, что количество пользователей можно каким-то способом удерживать на постоянном уровне. Но и в этом случае разделение канала на статические подканалы неэффективно. Основная проблема в том, что если какие-то пользователи не передают данные, их часть спектра просто пропадает. При этом они занимают линию, и остальные абоненты не могут ее использовать. Статическое разделение не подходит для большинства компьютерных систем с чрезвычайно неравномерным потоком данных (вполне обычным является отношение пикового трафика к среднему как 1000:1). В результате большая часть каналов будет часто простаивать.

Низкую эффективность статического FDM можно увидеть на примере простых вычислений теории массового обслуживания. Для начала подсчитаем среднее время задержки T для отправки фрейма по каналу емкостью C бит/с. Предполагается, что фреймы приходят в случайном порядке со средней скоростью λ фреймов в секунду. Длина фреймов варьируется и в среднем равна 1/μ бит. При таких параметрах скорость обслуживания канала равна μC фреймов в секунду. Теория массового обслуживания говорит о том, что

(Для любознательных: это результат для очереди «M/M/1». Требуется, чтобы случайность длительности промежутков между фреймами и длины фреймов соответствовала экспоненциальному распределению или, что эквивалентно, являлась результатом пуассоновского процесса.)

В нашем примере C равно 100 Мбит/с, средняя длина фрейма 1/μ = 10 000 бит, скорость входного потока λ = 5000 фреймов в секунду. Тогда T = 200 мкс. Обратите внимание: если бы мы не учли задержки при формировании очереди и просто посчитали, сколько времени нужно на передачу фрейма длиной 10 000 бит по сети с пропускной способностью 100 Мбит/с, то получили бы неправильный ответ: 100 мкс. Этот результат верен лишь при отсутствии конкуренции за канал.

Теперь разделим канал на N независимых подканалов, каждый из которых имеет пропускную способность C/N бит/с. Средняя входная скорость в подканале теперь равна λ/N фреймов в секунду. Вычислив новое значение средней задержки T, получим:

В разделенном канале средняя задержка в N раз хуже, чем в канале, в котором все фреймы волшебным образом организованы в одну общую очередь. Тот же вывод можно сделать на следующем примере: предоставляя доступ к банкоматам в холле банка, лучше организовать посетителей в одну общую очередь. Отдельные очереди могут привести к тому, что одни банкоматы будут простаивать, в то время как перед другими выстроится много людей.

Аргументы, применимые к FDM, относятся и к другим способам статического распределения канала. Можно использовать схему TDM и выделять каждому пользователю N-й слот. Но если абонент не будет передавать данные, этот слот просто пропадет. С тем же успехом можно разделить сети физически. Если взять 100-мегабитную сеть и сделать из нее десять 10-мегабитных, статически распределив по ним пользователей, то в результате средняя задержка возрастет с 200 мкс до 2 мс.

Таким образом, ни один статический метод распределения каналов не подходит для неравномерного трафика, поэтому далее мы рассмотрим динамические методы.

4.2.1. Система ALOHA

История первого протокола подуровня MAC начинается на нетронутых цивилизацией Гавайях в 1970-х годах. В данном случае «нетронутые цивилизацией» означает «не имеющие рабочей телефонной системы». Это не упрощало жизнь Нормана Абрамсона (Norman Abramson) и его коллег из Гавайского университета, которые пытались подключить пользователей на удаленных островах к главному компьютеру в Гонолулу. Идея протянуть кабели на громадное расстояние по дну Тихого океана даже не рассматривалась, так что исследователи искали другой способ.

Решение было основано на использовании радиосистемы ближнего радиуса действия. Терминал каждого пользователя передавал фреймы на центральный компьютер в пределах общей полосы частот. Также был найден простой и элегантный метод решения проблемы распределения каналов. Результаты работы этой группы ученых впоследствии стали основой многих исследований (Шварц и Абрамсон; Schwartz and Abramson, 2009). Несмотря на то что в разработанной Абрамсоном сети ALOHA использовалась широковещательная радиосвязь со стационарными передатчиками, ее общий принцип применим к любой системе, в которой независимые пользователи соревнуются за право использования одного общего канала.

В данном разделе мы рассмотрим две версии системы ALOHA: чистую и дискретную. Различие между ними состоит в том, что в чистой версии время является непрерывным, а в дискретной делится на дискретные интервалы, в которые должны помещаться все фреймы.

4.3.1. Физический уровень классического Ethernet

История Ethernet начинается приблизительно во времена системы ALOHA, когда студент Боб Меткалф получил магистерскую степень в Массачусетском технологическом университете. Позже он защитил докторскую в Гарварде, где ознакомился с наработками Абрамсона по системе ALOHA. Эта тема так заинтересовала Меткалфа, что после выпуска из Гарварда он решил провести лето на Гавайях, работая с Абрамсоном. После он перешел в исследовательский центр Xerox, где стал свидетелем разработки и создания устройств, которые впоследствии назовут «персональными компьютерами». Однако эти устройства были изолированы друг от друга. Используя результаты исследований Абрамсона, Меткалф вместе со своим коллегой Дэвидом Боггсом разработал и реализовал первую локальную сеть (Metcalfe and Boggs, 1976). В ней использовался длинный толстый коаксиальный кабель, а пропускная способность составляла 3 Мбит/с.

Система получила название «Ethernet», в честь люминофорного эфира, через который, как когда-то считалось, распространяются электромагнитные лучи. (В XIX веке британский физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электромагнитное излучение можно описать волновым уравнением. Ученые предположили, что пространство должно быть заполнено некой эфирной средой, по которой излучение распространяется. Только после знаменитого эксперимента Майкельсона — Морли в 1887 году физики поняли, что оно способно распространяться в вакууме.)

Система Xerox Ethernet оказалась настолько успешной, что в 1978 году DEC Intel и Xerox разработали стандарт 10-мегабитного Ethernet — стандарт DIX (DIX standard). С небольшими изменениями в 1983 году DIX превратился в стандарт IEEE 802.3. К несчастью, у компании Xerox на тот момент была длинная история значительных изобретений (например, персональный компьютер), которые она не смогла успешно выпустить на рынок. Об этом рассказано в книге «Fumbling the Future» Смита и Александера (Smith and Alexander, 1988). Когда стало понятно, что Xerox не заинтересован в Ethernet и может предложить разве что помощь в его стандартизации, Меткалф основал собственную компанию, 3Com. Компания занималась продажей адаптеров Ethernet для персональных компьютеров. Были проданы миллионы таких устройств.

Классический Ethernet — это проходящий по всему зданию длинный кабель, к которому подключаются компьютеры. Эта архитектура показана на илл. 4.13. Первый вариант, называемый в народе толстым Ethernet (thick Ethernet), напоминал желтый садовый шланг с маркировкой каждые 2,5 м — в этих местах подключались компьютеры. (По стандарту 802.3 не требовалось, чтобы кабель был желтым, но это подразумевалось.) Ему на смену пришел тонкий Ethernet (thin Ethernet); эти кабели лучше гнулись, а соединения выполнялись с помощью стандартных разъемов BNC. Тонкий Ethernet был намного дешевле и проще в установке, но длина сегмента не превышала 185 м (вместо 500 м для толстого Ethernet), а каждый сегмент поддерживал не более 30 компьютеров (вместо 100).

Илл. 4.13. Архитектура классического Ethernet

Все версии Ethernet имеют ограничения по длине кабеля в сегменте, то есть участкам без усилителя. Для построения сетей больших размеров несколько кабелей соединяются повторителями (repeaters). Повторитель — это устройство физического уровня. Он принимает, усиливает (регенерирует) и передает сигналы в обоих направлениях. С точки зрения программного обеспечения ряд кабелей, соединенных таким образом, не отличается от сплошного кабеля (за исключением небольшой временной задержки, связанной с повторителями).

Информация по этим кабелям передается с использованием манчестерского кода, о котором мы говорили в разделе 2.4.3. Ethernet может состоять из большого количества сегментов кабеля и повторителей, однако два трансивера могут располагаться на расстоянии не более 2,5 км и между ними должно быть не более четырех повторителей. Эти ограничения нужны для того, чтобы протокол MAC, о котором мы поговорим далее, работал корректно.

4.4.1. Стандарт 802.11: архитектура и стек протоколов

Сети 802.11 можно использовать в двух режимах. Наиболее популярный — инфраструктурный режим (infrastructure mode). Это подключение клиентов (например, ноутбуков и смартфонов) к другой сети, например внутренней сети компании или интернету. Данная схема представлена на илл. 4.23 (а). Каждый клиент связывается с точкой доступа (Access Point, AP), которая, в свою очередь, подключена к сети. Клиент отправляет и получает пакеты через AP. Несколько AP можно объединять, например, в проводную сеть под названием «распределительная сеть» (distribution system). Так формируется расширенная сеть 802.11. В этом случае клиенты могут отправлять фреймы другим клиентам через их точки доступа.

Илл. 4.23. Архитектура сети стандарта 802.11. (а) Инфраструктурный режим. (б) Произвольный режим

Второй режим, показанный на илл. 4.23 (б), называется децентрализованной сетью (ad hoc network). Это набор компьютеров, которые связаны таким образом, чтобы напрямую отправлять фреймы друг другу. Точка доступа не ­используется. Поскольку доступ в интернет — революционная технология в беспроводных соединениях, децентрализованные сети не слишком популярны.

Теперь рассмотрим протоколы. Все протоколы, используемые семейством стандартов 802.х, включая 802.11 и Ethernet, схожи по структуре. Часть стека протоколов, соответствующая основным вариантам стандарта 802.11, изображена на илл. 4.24. И для клиентов, и для точек доступа применяется один стек. Физический уровень почти такой же, как и в модели OSI, а вот канальный уровень во всех протоколах 802.х разбит на два или более подуровня. Что касается 802.11, то MAC (подуровень управления доступом к среде) отвечает за распределение канала, то есть за то, какая станция будет передавать следующей. Выше находится LLC (подуровень управления логической связью), цель которого в том, чтобы скрыть различия стандартов 802.х от сетевого уровня. Это ответственная задача, но, помимо этого, LLC сегодня является связующим уровнем, отвечающим за идентификацию протокола (например, IP), информация о котором передается во фрейме 802.11.

С момента появления в 1997 году физический уровень обзавелся несколькими методами передачи. Два первоначальных метода, инфракрасная передача (как в пульте дистанционного управления телевизором) и режим скачкообразного изменения частоты в диапазоне 2,4 ГГц, сегодня не используются. Третий из исходных методов, широкополосный сигнал с прямой последовательностью на скорости 1 или 2 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц, был расширен и завоевал популярность со скоростями до 11 Мбит/с. Этот стандарт известен под названием 802.11b.

Илл. 4.24. Часть стека протоколов стандарта 802.11

Чтобы предоставить поклонникам беспроводных сетей желанное увеличение скорости, в 1999 и 2003 годах были разработаны новые методы передачи на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), описанного в разделе 2.5.3. Первый метод, 802.11a, работает в другом диапазоне частот — 5 ГГц. Второй, 802.11g, остался в диапазоне 2,4 ГГц для обеспечения совместимости. Оба работают на скорости до 54 Мбит/с.

В октябре 2009 года окончательно сформировался стандарт 802.11n. Он содержит методы передачи данных, дающие значительный прирост скорости за счет одновременного использования нескольких антенн на приемнике и передатчике.

Дойдя до конца алфавита, в декабре 2013 года институт IEEE опубликовал стандарт под названием 802.11ac. Следует заметить, что члены комитета 802.11 используют пропущенные буквы для внесения небольших технических улучшений, часто служащих для уточнения или исправления ошибок (например, в случае стандарта 802.11r). Стандарт 802.11ac предназначен для диапазона 5 ГГц, поэтому он несовместим со старым оборудованием, работающим только в полосе 2,4 ГГц. Сегодня наиболее продвинутые мобильные устройства используют 802.11ac. Недавно принятый 802.11ax обеспечивает еще более высокую скорость.

Далее мы вкратце рассмотрим все эти методы передачи и подробно изучим самые актуальные из них, отбросив устаревшие стандарты 802.11. Формально они относятся к физическому уровню, которому была посвящена глава 2. Но из-за того, что они тесно связаны с беспроводными LAN вообще и с LAN стандарта 802.11 в частности, мы познакомимся с ними здесь.

4.5.1. Архитектура Bluetooth

Начнем изучение системы Bluetooth с краткого обзора ее компонентов и задач. В основе Bluetooth лежит пикосеть (piconet), состоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, расположенных в радиусе 10 м. В одной и той же комнате, если она достаточно большая, могут располагаться несколько пикосетей. Более того, они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла), как показано на илл. 4.30. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

Помимо семи активных подчиненных узлов, пикосеть может включать до 255 так называемых запаркованных узлов. Это устройства, переведенные в режим пониженного энергопотребления главным узлом, — за счет этого продлевается ресурс их источников питания. В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от главного узла. Также существует два промежуточных режима энергопотребления — приостановленный и анализирующий.

Такая архитектура оказалась очень простой и дешевой в реализации (микросхема Bluetooth стоила менее $5), а именно этого разработчики и добивались. В результате подчиненные узлы получились довольно примитивными — они лишь выполняют то, что им прикажет главный узел. По сути, пикосеть — это централизованная система TDM, в которой главный узел контролирует временные слоты для передачи данных и распределяет их между подчиненными узлами. Обмен происходит только между подчиненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Илл. 4.30. Две пикосети могут объединиться в рассеянную сеть

4.6.1. Общие сведения

Спецификация DOCSIS также предусматривает наличие подуровня MAC, однако он не так явно отделен от канального уровня по сравнению с другими протоколами, которые мы изучали в предыдущих главах. В то же время в DOCSIS выполняется целый ряд стандартных задач подуровня MAC, включая распределение канала (путем удовлетворения запросов), настройку QoS и уникальную модель пересылки. В данном разделе мы коснемся каждой из этих трех задач. В последних полнодуплексных версиях стандарта DOCSIS 3.1 и DOCSIS 4.0 были введены новые методы планирования и исключения помех.

DOCSIS использует стандартный формат фреймов MAC. Помимо прочего, он содержит поля с данными о длине фрейма и контрольной сумме, а также расширенное поле заголовка для поддержки множества функций, включая защиту канального уровня. Некоторые заголовки поддерживают специальные функции, например синхронизацию входящего потока, регулирование мощности исходящей передачи, запрашивание пропускной способности и конкатенацию фреймов. Один из особых типов фрейма — фрейм запроса; с его помощью кабельный модем запрашивает пропускную способность (как будет описано далее).

4.7.1. Применение мостов

Прежде чем перейти к обсуждению мостов, рассмотрим несколько распространенных случаев их применения. Есть три причины, по которым в организации может появиться несколько LAN.

Во-первых, у многих подразделений университетов или корпораций есть свои LAN, соединяющие персональные компьютеры, серверы и другие устройства (например, принтеры). У разных факультетов и отделов свои цели, поэтому они создают собственные сети независимо друг от друга. Однако рано или поздно возникает потребность в коммуникации, и здесь на помощь приходят мосты. В данном примере несколько отдельных LAN образовалось из-за автономности их владельцев.

Во-вторых, организация может размещаться в нескольких зданиях на значительном расстоянии друг от друга. Скорее всего, выгоднее создать несколько отдельных LAN и затем соединить их с помощью мостов и нескольких магистральных оптоволоконных кабелей, вместо того чтобы протягивать все кабели к одному центральному коммутатору. Даже если кабели легко проложить, их длина ограниченна (например, максимум для витой пары Gigabit Ethernet составляет 200 м). Сеть не будет работать с более длинными кабелями из-за чрезмерного ослабления или задержки сигнала. Единственное решение — разделить LAN и соединить ее части с помощью мостов, увеличив общее физическое расстояние, на котором может работать сеть.

В-третьих, иногда необходимо логически разделить одну LAN на несколько отдельных сетей, соединенных мостами, чтобы снизить нагрузку. Например, во многих крупных университетах в сети объединены тысячи рабочих станций, на которых работают студенты и сотрудники. В компании также могут работать тысячи людей. Огромные масштабы не позволяют объединить все рабочие станции в одну локальную сеть — компьютеров больше, чем портов в любом Ethernet-концентраторе, а станций больше, чем может быть в одной классической сети Ethernet.

Даже если удастся соединить друг с другом все рабочие станции, добавление дополнительных станций в концентратор Ethernet или классическую сеть Ethernet не приведет к увеличению емкости. Все они будут совместно использовать ту же фиксированную полосу пропускания. Чем больше станций подключится, тем меньше будет средняя пропускная способность каждой из них.

С другой стороны, емкость двух отдельных LAN в два раза больше, чем одной сети. Мосты позволяют объединять сети, сохраняя их пропускную способность. Идея в том, чтобы не передавать трафик на порты, на которых он не требуется, тогда каждая LAN сможет работать на максимальной скорости. Данный принцип также повышает надежность. Поврежденный узел, непрерывно передающий поток бессмысленных данных, может нарушить работу всей сети. Решая, что пересылать, а что нет, мост действует как пожарные двери в здании, защищая всю систему от разрушения из-за одного ненормального узла.

Для наилучшего результата мосты должны быть полностью прозрачными. В идеале мы покупаем их, подключаем кабели LAN, и все сразу же идеально работает — без каких-либо изменений оборудования или ПО, без присвоения коммутаторам адресов, скачивания таблиц маршрутизации и т.п. Мы просто все соединяем и уходим по своим делам. Более того, необходимо, чтобы наличие мостов вообще не влияло на работу существующих LAN. Не должно быть заметной разницы, какой LAN (с мостами или без) принадлежат станции, — они должны легко перемещаться в любой из них.

Удивительно, но создать такие мосты возможно — для этого используются два алгоритма. Алгоритм обратного обучения останавливает отправку трафика туда, где он не нужен; алгоритм связующего дерева прерывает циклы, которые могут возникнуть при непроизвольном соединении коммутаторов. Далее мы разберем эти алгоритмы по очереди, чтобы понять, как они достигают целей.

1. Для решения задачи используйте формулу, приведенную в данной главе, записав ее в общем виде. Фреймы для передачи произвольно приходят на 100-мегабитный канал. Если канал занят, фрейм ставится в очередь. Длина фрейма распределяется по экспоненциальному закону с математическим ожиданием, равным 10 000 бит/фрейм. Для каждой из приведенных ниже скоростей получения фреймов вычислите задержку (включая время ожидания в очереди и время передачи) фрейма средней длины:

а) 90 фреймов/с;

б) 900 фреймов/с;

в) 9000 фреймов/с.

2. N станций совместно используют канал чистой системы ALOHA, работающий со скоростью 56 Кбит/с. Каждая станция передает 1000-битный фрейм в среднем каждые 100 с, даже если предыдущий фрейм еще не был передан (например, станции могут буферизовать исходящие фреймы). Каково максимальное значение N?

3. Десять тысяч систем бронирования авиабилетов конкурируют за доступ к каналу дискретной системы ALOHA. В среднем, каждая станция делает 18 запросов в час. Каждый слот составляет 125 мкс. Приблизительно оцените общую нагрузку канала.

4. Оценка загруженности канала дискретной системы ALOHA с бесконечным количеством пользователей показала, что 10 % слотов не используется.

а) Какова при этом нагрузка канала G?

б) Какова пропускная способность?

в) Канал недогружен или перегружен?

5. Самая низкая максимальная пропускная способность достигается при использовании чистой системы ALOHA, а самая высокая — при использовании CSMA с настойчивостью 0,01 (см. илл. 4.4). Для ее повышения каждый протокол идет на некоторые компромиссы, например обеспечивает расширенную аппаратную поддержку или увеличивает время ожидания. Расскажите, на какие компромиссы идут протоколы, представленные на илл. 4.4.

6. Какова длина слота конкуренции в CSMA/CD для:

а) 2-километрового двухпроводного кабеля (скорость распространения сигнала составляет 82 % скорости распространения сигнала в вакууме);

б) 40-километрового многомодового оптоволоконного кабеля (скорость распространения сигнала составляет 65 % скорости распространения сигнала в вакууме)?

7. Как долго станция s должна ждать начала передачи в худшем случае, если в LAN применяется базовый протокол битовой карты?

8. Объясните, как станция с более низким номером может лишиться возможности отправки пакета в протоколе двоичного отсчета.

9. Посмотрите на илл. 4.10. Допустим, что станции знают, что к передаче готовы станции B, D, G и H. Как протокол адаптивного прохода по дереву будет обходить этот граф, чтобы каждая из этих четырех станций могла отправить свой фрейм? Сколько дополнительных коллизий произойдет, если поиск будет начат с корня дерева?

10. Компания друзей собралась, чтобы поиграть в видеоигры с высокой степенью интерактивности и большой нагрузкой на процессор и сеть. Друзья играют по беспроводной сети с высокой пропускной способностью. Беспроводной сигнал не может проходить сквозь стены, но все они находятся в одной комнате. Какой протокол лучше использовать при такой конфигурации: ненастойчивый протокол CSMA или протокол маркерного кольца? Обоснуйте свой ответ.

11. Группа из 2n станций осуществляет арбитраж доступа к общему кабелю, используя протокол адаптивного прохода по дереву. В определенный момент две из них готовы к передаче. Назовите минимальное, максимальное и среднее количество слотов, необходимых для обхода дерева, если 2n >> 1?

12. Рассмотренные нами беспроводные LAN используют протоколы CSMA/CA и RTS/CTS вместо CSMA/CD. При каких условиях, если таковые имеются, можно использовать протокол CSMA/CD?

13. Шесть станций, обозначенных буквами A–F, взаимодействуют друг с другом по протоколу MACA. Могут ли одновременно произойти две передачи данных? Обоснуйте свой ответ.

14. В семиэтажном офисном здании на каждом этаже расположено по 15 офисов. В каждом офисе на стене установлен разъем для подключения терминала, так что в вертикальной плоскости эти разъемы образуют прямоугольную сетку с расстоянием по 4 м между гнездами, как по горизонтали, так и по вертикали. Предполагая, что можно проложить кабель по прямой между любой парой гнезд, по горизонтали, вертикали или диагонали, сосчитайте, сколько метров кабеля потребуется для соединения всех гнезд при помощи:

а) звездообразной конфигурации с одним маршрутизатором посередине;

б) классической LAN стандарта 802.3.

15. Чему равна скорость в бодах классической 10-мегабитной сети Ethernet?

16. Как будет выглядеть манчестерский код для классической сети Ethernet при следующей двоичной последовательности: 0001110101?

17. В 10-мегабитной LAN длиной 1 км с протоколом CSMA/CD (не 802.3) скорость распространения сигнала составляет 200 м/мкс. Повторителей в этой системе нет. Длина фреймов данных равна 256 бит, включая 32 бита заголовка, контрольную сумму и другие накладные расходы. Первый слот после успешной передачи резервируется получателем, чтобы отправить 32-битный фрейм с подтверждением. Какова эффективная скорость передачи данных без учета накладных расходов, если при этом не возникает коллизий?

18. Представьте сеть CSMA/CD, которая работает со скоростью 1 Гбит/с в кабеле длиной 1 км без повторителей. Скорость сигнала составляет 200 000 км/с. Чему равен минимальный размер фрейма?

19. IP-пакет необходимо передать по сети Ethernet. Длина пакета — 60 байт, включая все служебные поля. Если не используется LLC, требуется ли заполнение Ethernet-фрейма? Если да, сколько байтов нужно добавить?

20. Фреймы Ethernet должны быть не короче 64 байт, чтобы в случае коллизии на дальнем конце провода передатчик продолжал передачу. В сетях типа Fast Ethernet минимальный размер фрейма также равен 64 байтам, однако биты могут выдаваться в 10 раз чаще, чем в классическом варианте Ethernet. Каким образом в системе удалось сохранить прежний минимальный размер фрейма?

21. Согласно спецификации 1000Base-SX, генератор синхронизирующего сигнала должен работать с частотой 1250 МГц, хотя гигабитный Ethernet обеспечивает максимальную скорость передачи, равную только 1 Гбит/с. Используется ли эта более высокая скорость для того, чтобы обеспечить дополнительный запас безопасности? Если нет, то зачем она нужна?

22. Сколько фреймов в секунду может обрабатывать Gigabit Ethernet? Хорошо подумайте перед тем, как отвечать. Подсказка: имеет значение тот факт, что это именно Gigabit Ethernet.

23. Назовите сетевую технологию, позволяющую паковать фреймы друг за другом. Чем выгодно такое свойство?

24. На илл. 4.27 показаны четыре станции: A, B, C и D. Какая из двух последних станций находится ближе к станции A и почему?

25. Приведите пример, показывающий, что RTS/CTS в протоколе 802.11 немного отличается от RTS/CTS в протоколе MACA.

26. Взгляните на илл. 4.33 (б). Допустим, что все станции, мосты и концентраторы, показанные на этом рисунке, являются беспроводными, а соединения между станциями показывают, что они находятся в пределах досягаемости друг от друга. Если B2 передает данные D, в то время как B1 хочет начать передачу для A и H1 хочет начать передачу для F, какие пары станций являются скрытыми, а какие — засвеченными?

27. В беспроводной LAN с одной точкой доступа есть 10 клиентских станций. У четырех из них скорость передачи данных составляет 6 Мбит/с, еще у четырех — 18 Мбит/с и у оставшихся двух — 54 Мбит/с. Какова скорость передачи каждой станции, когда все 10 станций отправляют данные одновременно и при этом

а) не используется TXOP;

б) используется TXOP?

28. Пусть по 11-мегабитной локальной сети 802.11b передаются друг за другом по радиоканалу 64-байтные фреймы с вероятностью ошибки 10–7 на бит. Сколько фреймов в секунду в среднем будет искажаться при передаче?

29. Два устройства подключены к одной и той же сети стандарта 802.11, и оба загружают из интернета большие файлы. Объясните, каким образом одно устройство может получить более высокую скорость передачи данных по сравнению со вторым за счет использования (некорректного) предоставляемого стандартом 802.11 механизма QoS.

30. На илл. 4.28 показано, как в стандарте 802.11 используется разное время ожидания для фреймов с разными приоритетами. Этот подход исключает замедление такого высокоприоритетного трафика, как передача фреймов с данными реального времени, из-за передачи обычного трафика. В чем состоит недостаток данного подхода?

31. Назовите две причины, по которым в сетях могут использоваться корректирующие коды вместо кодов для обнаружения ошибок и повторной передачи.

32. Почему режим PCF лучше подходит для версий стандарта 802.11, работающих на более высоких частотах?

33. Недостатком профилей Bluetooth является то, что они существенно усложняют протокол. В каких ситуациях эти профили могут рассматриваться как преимущество с точки зрения приложений?

34. Представьте сеть, в которой станции обмениваются данными с помощью лазерных лучей, как показано на илл. 2.11. Объясните, в чем состоит ее сходство и отличие от Ethernet и 802.11 и как это учесть при проектировании протоколов канального уровня и подуровня MAC для этой сети.

35. На илл. 4.30 видно, что устройство Bluetooth может находиться одновременно в двух пикосетях. Почему одно и то же устройство не может являться главным сразу в обеих пикосетях?

36. Каков максимальный размер поля данных для фрейма Bluetooth с тремя слотами на базовой скорости? Обоснуйте свой ответ.

37. Bluetooth поддерживает два типа соединений между главным и подчиненным узлами. Что это за соединения и для чего они предназначены?

38. Как было упомянуто выше, эффективность однослотового фрейма с кодированием повторения составляет приблизительно 13 % на базовой скорости данных. Какова будет эффективность при использовании пятислотового фрейма?

39. Фреймы-«маяки» в версии стандарта 802.11 с методом частотных скачков содержат время задержки. Как вы думаете, аналогичные фреймы-«маяки» в Bluetooth также содержат время задержки? Поясните свой ответ.

40. Коммутатор, предназначенный для работы с Fast Ethernet, имеет системную плату, которая может передавать данные со скоростью 10 Гбит/с. Сколько фреймов в секунду может обработать такой коммутатор?

41. Рассмотрите расширенную LAN с мостами B1 и B2, показанную на илл. 4.33 (б). Допустим, что хеш-таблицы обоих мостов пусты. Как будет выглядеть хеш-таблица моста B2 после следующей последовательности передач:

а) станция B отправляет фрейм станции E;

б) станция F отправляет фрейм станции A;

в) станция A отправляет фрейм станции B;

г) станция G отправляет фрейм станции E;

д) станция D отправляет фрейм станции C;

е) станция C отправляет фрейм станции A.

Предполагается, что каждый фрейм отправляется после получения предыдущего фрейма.

42. Рассмотрите расширенную LAN с мостами B1 и B2, показанную на илл. 4.33 (б). Допустим, что хеш-таблицы обоих мостов пусты. Какие из этих передач приведут к широковещательной рассылке:

а) станция A отправляет фрейм станции C;

б) станция B отправляет фрейм станции E;

в) станция C отправляет фрейм станции B;

г) станция G отправляет фрейм станции C;

д) станция E отправляет фрейм станции F;

е) станция D отправляет фрейм станции C?

Предполагается, что каждый фрейм отправляется после получения предыдущего фрейма.

43. Рассмотрите расширенную LAN с мостами B1 и B2, показанную на илл. 4.33 (б). Допустим, что хеш-таблицы обоих мостов пусты. Перечислите все порты, в которые будет отправлен пакет при следующей последовательности передач:

а) станция A отправляет пакет станции C;

б) станция E отправляет пакет станции F;

в) станция F отправляет пакет станции E;

г) станция G отправляет пакет станции E;

д) станция D отправляет пакет станции A;

е) станция B отправляет пакет станции F.

44. Взгляните на илл. 4.36. Допустим, что к мостам B4 и B5 будет подключен дополнительный мост B0. Нарисуйте новое связующее дерево для этой топологии.

45. Рассмотрите сеть, изображенную на илл. 4.39. Если станция, подключенная к мосту B1, внезапно станет белой, нужно ли будет менять какие-либо метки? Если да, то какие?

46. Имеется локальная сеть Ethernet с семью мостами. Мост 0 подключен к мостам 1 и 2. Мосты 3, 4, 5 и 6 подключены и к мосту 1, и к мосту 2. Допустим, подавляющее большинство фреймов передается станциям, подключенным к мосту 2. Нарисуйте связующее дерево для протокола Ethernet, а затем — альтернативный вариант такого дерева, позволяющий уменьшить среднюю задержку фрейма.

47. Имеются две сети Ethernet. В сети 1 станции подключены к концентратору с помощью дуплексных кабелей. В сети 2 станции подключены к коммутатору с помощью полудуплексных кабелей. Почему в первом и втором случае следует (или нет) использовать протокол CSMA/CD?

48. Коммутаторы с ожиданием имеют преимущество перед сквозными коммутаторами при обработке поврежденных фреймов. Объясните почему.

49. В разделе 4.8.3 упоминалось, что некоторые мосты могут не входить в связующее дерево. Опишите в общих чертах ситуацию, при которой это возможно.

50. Чтобы VLAN заработала, мостам и коммутаторам нужны конфигурационные таблицы. А что, если в сетях, показанных на илл. 4.39, использовать концентраторы вместо коммутаторов? Понадобятся ли им конфигурационные таблицы? Ответ поясните.

51. На илл. 4.40 коммутатор обычного оконечного домена (справа) является VLAN-совместимым. Можно было бы поставить здесь обычный коммутатор? Если да, то как должна работать система? Если нет, то почему?

52. Перехватите трассировку сообщений вашего компьютера, несколько раз запустив на несколько минут неизбирательный режим. Создайте симулятор одного канала связи и реализуйте протоколы CSMA/CD. Оцените их эффективность, используя собственную трассировку для представления нескольких станций, конкурирующих за доступ к каналу. Насколько эта трассировка отражает загруженность канального уровня?

53. Напишите программу, симулирующую поведение протокола CSMA/CD в системе Ethernet с N станциями, готовыми к передаче во время отправки фрейма по каналу. Программа должна выдавать уведомление каждый раз, когда одна из станций успешно начинает передачу своего фрейма. Пусть такт системных часов совпадает с началом каждого слота (51,2 мкс), а обнаружение коллизии с отправкой преднамеренных помех занимает один слот. Все фреймы имеют максимально допустимую длину.

54. Скачайте программу Wireshark с сайта www.wireshark.org. Это бесплатная программа с открытым исходным кодом, позволяющая отслеживать состояние сетей и детально просматривать, что именно происходит в трафике. Научитесь ее использовать, просмотрев одно из множества обучающих видео на YouTube. В интернете есть немало ресурсов с описанием того, какие эксперименты можно осуществить с помощью этой программы. Это позволит вам получить хороший практический опыт при работе с сетями.

5.1.1. Метод коммутации пакетов с ожиданием

Прежде чем начать подробное рассмотрение сетевого уровня, имеет смысл вспомнить окружение, в котором он функционирует (илл. 5.1). Основными компонентами сети являются устройства интернет-провайдера (ISP) — маршрутизаторы, коммутаторы и промежуточные узлы, соединенные линиями связи (они показаны на рисунке в сером овале), а также устройства пользователя (находятся вне овала). Хост H1 напрямую соединен с одним из маршрутизаторов провайдера А (это может быть домашний компьютер, подключенный к DSL-модему). Хост H2, напротив, входит в LAN (например, в офисную сеть Ethernet) с маршрутизатором F, принадлежащим клиенту, который с ним работает. Этот маршрутизатор связывается с провайдером по выделенной линии. Мы показали F вне овала, потому что он не принадлежит ISP. Однако в контексте данной главы мы будем считать маршрутизаторы клиента частью сети ISP, поскольку в них применяются те же самые алгоритмы, что и в маршрутизаторах интернет-провайдеров (именно алгоритмы будут основным предметом рассмотрения).

Илл. 5.1. Окружение, в котором функционируют протоколы сетевого уровня

Система работает следующим образом. Хост, у которого есть пакет для передачи, отправляет его на ближайший маршрутизатор — либо в своей LAN, либо провайдеру по двухточечному соединению (например, по каналу ADSL или по линии кабельного телевидения). Там пакет хранится до тех пор, пока не будет принят целиком и не пройдет полную обработку, включая верификацию контрольной суммы. Затем он передается по цепочке маршрутизаторов, которая в итоге приводит к пункту назначения. Такой механизм называется коммутацией пакетов с промежуточным хранением (store-and-forward), и мы уже рассматривали его в предыдущих главах.

5.2.1. Принцип оптимальности

Прежде чем перейти к конкретным алгоритмам, сформулируем общее утверждение, описывающее оптимальные маршруты независимо от топологии или трафика, — принцип оптимальности (optimality principle); см. работу Беллмана (Bellman, 1957).

Согласно этому принципу, если маршрутизатор J расположен на оптимальном пути от маршрутизатора I до маршрутизатора K, то оптимальный путь от J до K частично с ним совпадет. Чтобы убедиться в этом, обозначим часть пути от I до J как r1, а остальную часть пути — r2. Если бы существовал более выгодный путь от J до K, чем r2, то его можно было объединить с r1, чтобы улучшить путь от I до K, что противоречит первоначальному утверждению о том, что r1r2 — оптимальный путь.

Применив данный принцип, можно представить набор оптимальных маршрутов от всех источников ко всем обозначенным адресатам в виде дерева с получателем в качестве корня. Оно называется входным деревом (sink tree). На илл. 5.6 (б) изображено такое дерево для сети, показанной на илл. 5.6 (а). Расстояние в этом случае измеряется количеством транзитных участков. Цель любого алгоритма маршрутизации состоит в том, чтобы обнаружить и использовать входные деревья для всех маршрутизаторов.

Илл. 5.6. (а) Сеть. (б) Входное дерево для маршрутизатора B

Обратите внимание, что входное дерево не всегда уникально; у одной сети может быть несколько деревьев с идентичной длиной пути. Если выбрать все возможные маршруты, получится более общая структура под названием направленный ациклический граф (directed acyclic graph, DAG). В таких графах нет циклов. Для удобства мы также будем называть их входным деревом. В обоих случаях предполагается, что пути не мешают друг другу (к примеру, затор на одном маршруте не приводит к изменению другого).

Входные деревья (как и любые другие) не содержат циклов: каждый пакет доставляется за конечное и ограниченное число пересылок. Но на практике все не так просто. Маршрутизаторы (и соединения) могут отключаться и снова появляться в сети во время выполнения операции, поэтому у них может быть разное представление о текущей топологии. Кроме того, мы еще не обсудили, как маршрутизатор получает информацию для вычисления входного дерева. Он может самостоятельно собирать данные или получать их как-то иначе (мы рассмотрим этот вопрос чуть позже). В любом случае, принцип оптимальности и входное дерево — это ориентиры, по которым можно оценивать алгоритмы маршрутизации.

5.3.1. Необходимость в управлении трафиком: перегрузка

За борьбу с перегрузкой отвечают сетевой и транспортный уровни. Поскольку она происходит в сети, именно сетевой уровень сталкивается с ней непосредственно и определяет, что делать с лишними пакетами. Самое эффективное решение — уменьшить нагрузку на сеть со стороны транспортного уровня; это значит, что оба уровня должны работать вместе. Сетевой уровень не может автоматически устранить перегрузку. Но операторы сетей могут настроить маршрутизаторы, коммутаторы и другие устройства этого уровня так, чтобы они смягчали ее последствия. Как правило, они заставляют источник снизить скорость отправки или направляют трафик по другим, менее загруженным путям. В этой главе мы рассмотрим вопросы перегрузки, связанные с сетевым уровнем, и механизмы, которые он применяет для борьбы с ней. Для описания функций транспортного уровня в литературе часто используется более общее понятие «контроль перегрузок». Во избежание путаницы здесь мы будем говорить об управлении перегрузками (congestion management) или управлении трафиком (traffic management), понимая под этим методы, применяющиеся на сетевом уровне. В главе 6 мы завершим рассмотрение темы, обсудив механизмы управления перегрузками на транспортном уровне.

На илл. 5.19 показано, как начинается перегрузка. Когда количество отправляемых хостами пакетов намного ниже пропускной способности сети, объем доставленного трафика пропорционален объему переданного (в два раза больше отправлено — в два раза больше получено). Но если число пакетов приближается к пределу емкости, при эпизодических всплесках трафика буферы маршрутизаторов переполняются; в итоге некоторые пакеты теряются. Потерянные пакеты расходуют часть пропускной способности, поэтому объем доставленного трафика оказывается ниже идеальной кривой. Таким образом, в сети возникает перегрузка.

Илл. 5.19. Перегрузка ведет к значительному падению производительности: возрастает частота потери пакетов, а также величина задержки, поскольку очереди маршрутизатора заполнены пакетами

В определенный момент может возникнуть коллапс сети из-за перегрузки (congestion collapse), при котором производительность падает, поскольку абонентская нагрузка превышает пропускную способность. Коллапс сети происходит, когда увеличение нагрузки фактически ведет к уменьшению объема успешно доставленного трафика. При этом пакеты настолько задерживаются, что становятся бесполезными к моменту их доставки. Например, на ранних этапах существования интернета время, которое пакет проводил в очереди на отправку (при скорости 56 Кбит/с), зачастую превышало время его пребывания в сети. В результате пакет приходилось удалять. Еще один неприятный сценарий — когда отправители повторно передают сильно задержанные пакеты, полагая, что они утеряны. В этом случае пропускная способность используется неэффективно, поскольку по сети передаются копии одного и того же пакета. Чтобы продемонстрировать влияние этих факторов на производительность, мы отобразили на оси y (см. илл. 5.19) полезную пропускную способность (goodput), то есть скорость, с которой по сети передаются полезные пакеты.

В идеале сеть должна быть устроена так, чтобы перегрузки происходили как можно реже и чтобы в этих ситуациях не возникало коллапсов. К сожалению, в сети с коммутацией пакетов перегрузку невозможно полностью исключить. Если потоки пакетов внезапно начинают прибывать на маршрутизатор сразу по трем или четырем входным линиям и всем им нужна одна и та же выходная линия, то образуется очередь. Если у маршрутизатора заканчивается память для буферизации пакетов, они теряются. Увеличение объема памяти может в какой-то степени помочь, однако Нейгл (Nagle) в 1987 году установил, что при бесконечной памяти маршрутизаторов ситуация с перегрузкой часто не улучшается, а, наоборот, ухудшается. Последние исследования показали, что многие сетевые устройства имеют больше памяти, чем требуется. Это явление получило название излишней сетевой буферизации (bufferbloat). Такие устройства могут снижать производительность сети, чему есть несколько объяснений. Во-первых, за то время, пока пакеты добираются до начала очереди, срок их ожидания истекает (и даже несколько раз) и производится отправка их дубликатов. Во-вторых, отправителей нужно своевременно уведомлять о перегрузках (о чем мы подробнее поговорим в главе 6). Если пакеты не будут удалены, а останутся в буферах маршрутизатора, то отправители продолжат отправку перегружающего сеть трафика. В результате ситуация ухудшится: произойдет коллапс сети. Линии с низкой пропускной способностью или маршрутизаторы, у которых скорость обработки пакетов ниже емкости канала, также могут быть перегружены. Если на других участках сети пропускная способность выше, проблему можно решить, направив туда часть трафика в обход узкого места. Но в конечном итоге увеличение трафика может привести к повсеместной перегрузке. В этом случае операторы сетей могут применить два подхода: сброс нагрузки (то есть игнорирование трафика) или увеличение пропускной способности.

Здесь уместно прояснить разницу между понятиями «контроль перегрузок» (congestion control), «управление трафиком» (traffic management) и «управление потоком» (flow control). Задача управления трафиком (или регулирования трафика) — гарантировать, что сеть справится с поступающим трафиком. Задача может решаться как устройствами в сети, так и отправителями (часто с использованием механизмов транспортного протокола, называемых методами контроля перегрузок). Управление перегрузками (или контроль перегрузок) касается поведения всех хостов и маршрутизаторов. Управление потоком, наконец, относится к трафику между конкретными отправителями и получателями. С его помощью регулируется скорость отправки данных: она не должна превышать максимально возможную скорость их получения. Задача управления потоком — не допустить потери данных из-за того, что отправитель обладает большей производительностью и его скорость превышает возможности адресата.

Чтобы понять разницу между этими понятиями, представьте сеть из 100-гигабитных оптоволоконных линий. Суперкомпьютер пытается передать большой файл персональному компьютеру, способному принимать данные со скоростью 1 Гбит/с. Хотя перегрузки в данной ситуации не наблюдается, алгоритм управления потоком периодически заставляет отправителя приостанавливать передачу, чтобы получатель успевал принимать трафик.

Приведем другой пример. Рассмотрим сеть из 1000 больших компьютеров, соединенных мегабитными линиями. Половина компьютеров пытается передать файлы остальным со скоростью 100 Кбит/c. Здесь проблема заключается уже не в том, что медленные получатели не успевают принимать данные от быстрых отправителей. Просто сеть не способна пропустить весь предлагаемый трафик.

Причина, по которой контроль перегрузок и управление потоком часто путают, заключается в том, что лучшее решение обеих проблем — добиться более медленной работы хоста. Таким образом, хост может получить просьбу снизить скорость в двух случаях: когда с потоком не справляется получатель или когда с ним не справляется вся сеть. Мы вернемся к этому вопросу в главе 6.

Мы начнем знакомство с управлением перегрузками с рассмотрения подходов, которые могут применяться сетевыми операторами в разных масштабах времени. Затем мы изучим методы предотвращения перегрузки, а также различные алгоритмы борьбы с ее последствиями.

5.4.1. Требования приложений к QoS

Последовательность пакетов, передающихся от источника к получателю, называется потоком (flow) (Кларк; Clark, 1988). При этом в сетях, ориентированных на установление соединения, его могут составлять все пакеты канала, а в сетях без установления соединения — все пакеты, отправленные от одного процесса к другому. Каждый поток требует определенных условий, которые можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами: пропускная способность, задержка, джиттер и потери. Все вместе они формируют необходимый потоку QoS (Quality of Service — качество обслуживания).

Некоторые часто используемые приложения и их требования к сети приведены в таблице на илл. 5.27. Следует отметить, что требования приложений более строгие, чем требования к сети, так как в некоторых случаях приложение может само улучшить уровень обслуживания, предоставленный сетью. В частности, для надежной передачи файлов сеть не обязана работать без потерь, а время задержки не должно быть одинаковым при передаче пакетов аудио и видео. Потери можно компенсировать за счет повторной передачи, а для сглаживания джиттера можно сохранять пакеты в буфере получателя. Но при слишком низкой пропускной способности или слишком большой задержке приложения бессильны.

Приложение

Пропускная способность (bandwidth)

Задержка (delay)

Джиттер (jitter)

Потери (loss)

Электронная почта

Низкая

Низкая

Низкая

Средняя

Передача файлов

Высокая

Низкая

Низкая

Средняя

Веб-доступ

Средняя

Средняя

Низкая

Средняя

Удаленный доступ

Низкая

Средняя

Средняя

Средняя

Аудио по запросу

Низкая

Низкая

Высокая

Низкая

Видео по запросу

Высокая

Низкая

Высокая

Низкая

Телефония

Низкая

Высокая

Высокая

Низкая

Видеоконференции

Высокая

Высокая

Высокая

Низкая

Илл. 5.27. Строгость требований приложений к QoS

У приложений могут быть разные требования к пропускной способности: для электронной почты, аудио в различных форматах и удаленного доступа они незначительны, тогда как передача файлов и видео в любых формах требует больших ресурсов.

С задержкой дело обстоит иначе. Приложения передачи файлов, включая электронную почту и видео, нечувствительны к задержкам. Даже если все пакеты будут доставляться с задержкой в несколько секунд, ничего страшного не произойдет. Интерактивные приложения — например, веб-поиска или удаленного доступа — более критичны к задержкам. Что касается приложений, работающих в реальном времени, их требования очень строги. Если при телефонном разговоре все слова собеседников будут приходить с большой задержкой, пользователи сочтут такую связь неприемлемой. С другой стороны, проигрывание видео- или аудиофайлов, хранящихся на сервере, допускает наличие некоторой задержки.

Колебание (то есть стандартное отклонение) времени задержки или времени прибытия пакета называется джиттером (jitter). Первые три приложения на илл. 5.27 спокойно отнесутся к неравномерной задержке доставки пакетов. При организации удаленного доступа этот фактор имеет большее значение, поскольку при сильном джиттере обновления экрана будут происходить скачками. Видео- и особенно аудиоданные крайне чувствительны к джиттеру. Если пользователь смотрит видео по сети и все фреймы приходят с задержкой ровно 2,000 с, проблем не возникнет. Но если время передачи колеблется от 1 до 2 с и приложению не удается скрыть джиттер, результат будет просто ужасен. При прослушивании звукозаписей заметен джиттер даже в несколько миллисекунд.

Первые четыре приложения на илл. 5.27 предъявляют высокие требования к потерям, так как для них (в отличие от аудио и видео) важен каждый бит информации. Обычно потерянные пакеты передаются транспортным уровнем повторно. Однако это неэффективно; было бы лучше, если бы сеть отвергала те пакеты, которые, скорее всего, будут утеряны. Для аудио- и видеоприложений потеря пакета не всегда требует повторной передачи: короткие паузы и пропущенные фреймы могут остаться незамеченными.

Чтобы удовлетворить требования различных приложений, сеть может предлагать разные категории QoS. Яркий пример — сети ATM, которые когда-то считались перспективными, но впоследствии стали нишевой технологией. Они поддерживают:

5.5.1. Интерсети: общие сведения

В следующих разделах особое внимание будет уделено вопросам, возникающим при объединении двух или более сетей, формирующих объединенную сеть (internetwork), или, проще, интерсеть (internet).

Если бы все использовали одну сетевую технологию, объединять сети было бы намного проще. В большинстве случаев существует доминирующая сеть (например, Ethernet). Некоторые ученые считают разнообразие сетевых технологий временным явлением, которое исчезнет, как только все наконец поймут, как замечательна [вставьте свою любимую сеть]. Однако на это рассчитывать не стоит: история показывает, что такие рассуждения — всего лишь принятие желаемого за действительное. Различные сети решают разные задачи, поэтому, к примеру, Ethernet и спутниковые сети всегда будут отличаться. Создание сетей передачи данных на основе уже существующих систем (кабельной, телефонной или ЛЭП) порождает дополнительные ограничения, которые приводят к расхождению их характеристик. Поэтому нам всегда придется иметь дело с неоднородностью сетей.

Было бы намного проще, если бы нам вообще не пришлось объединять разнообразные сети. Но это также крайне маловероятно. Боб Меткалф выдвинул такой принцип: ценность сети, состоящей из N узлов, пропорциональна числу соединений между узлами, или N2 (Гилдер; Gilder, 1993). Это означает, что чем крупнее сеть, тем выше ее ценность, поскольку она обеспечивает гораздо больше соединений. Поэтому объединение небольших сетей всегда будет иметь смысл.

Главный пример такого объединения — интернет. Цель объединения всех этих сетей — предоставить пользователям из разных сетей возможность общаться. Стоимость услуг провайдера часто зависит от доступной пропускной способности, но на самом деле оплачивается возможность обмена пакетами с другими хостами, также подключенными к интернету. Интернет не приобрел бы такую популярность, если бы пакеты можно было отправлять только хостам, находящимся в том же городе.

Поскольку сети зачастую очень разные, передача пакетов из одной в другую — задача не из легких. Помимо проблем с неоднородностью, нам придется решать вопросы масштабирования, возникающие из-за роста интерсети. Чтобы понять, что нас ждет, мы прежде всего обсудим различия между сетями. Затем мы изучим подход, успешно применяющийся в IP (протоколе сетевого уровня интернета), включая туннелирование, маршрутизацию в интерсетях и фрагментацию пакетов.

5.6.1. Общие сведения

По сути, компьютерные сети всегда были «программно-конфигурируемыми», поскольку в маршрутизаторах используется конфигурируемое программное обеспечение, извлекающее информацию из пакетов и принимающее решения об их передаче. В то же время та часть ПО, которая запускает алгоритмы маршрутизации и реализует остальную логику передачи пакетов, всегда была вертикально интегрированной в сетевое оборудование. Купив маршрутизатор Cisco или Juniper, оператор сети был вынужден работать с программными технологиями, которые внедрил поставщик оборудования. Например, изменить какие-либо параметры протокола OSPF или BGP было просто невозможно. Главной причиной разработки SDN стало понимание, что плоскость управления (control plane) (логика выбора маршрутов и принятия решений о передаче) работает на программном уровне и может выполняться абсолютно независимо от плоскости данных (data plane) (аппаратных технологий, которые непосредственно извлекают информацию из пакетов и решают, что с ними делать). Эти плоскости показаны на илл. 5.43.

Если структурно разделить плоскость управления и плоскость данных, то логично предположить, что плоскость управления совсем необязательно запускать на сетевом оборудовании. На самом деле одна из популярных спецификаций SDN подразумевает наличие логически централизованной программы, зачастую написанной на языке высокого уровня (например, Python, Java, Golang, C). Эта программа принимает логические решения о пересылке и уведомляет о них все участвующие устройства. В качестве канала связи между высокоуровневой программой и нижележащим аппаратным обеспечением можно использовать любой механизм, поддерживаемый сетевым устройством. Один из первых SDN-контроллеров использовал в качестве плоскости управления протокол BGP (Фимстер и др.; Feamster et al., 2003). Позднее появились технологии OpenFlow, NETCONF и YANG, которые предложили более гибкие способы передачи информации плоскости управления сетевым устройствам. В некотором смысле технология SDN стала реинкарнацией давно известной архитектурной концепции централизованного управления, появлению которой способствовало наличие уже устоявшихся вспомогательных технологий (свободно распространяемых API для чипсетов, программного управления распределенными системами).

Илл. 5.43. Разделение плоскости управления и плоскости данных в программно-конфигурируемых сетях

Хотя технология SDN активно развивается в течение многих лет, основной принцип разделения плоскости данных и плоскости управления остается неизменным. Вы можете подробно ознакомиться с историей появления этой набирающей популярность технологии в работе Фимстера и др. (Feamster et al., 2013). Далее мы рассмотрим несколько основных направлений развития SDN. Это контроль переадресации и маршрутизации (технологии плоскости управления); программируемое оборудование и настраиваемая переадресация (технологии, делающие плоскость данных более программируемой); и программируемая сетевая телеметрия (приложение для сетевого администрирования, которое соединяет эти два компонента и играет ключевую роль для SDN).

1. Убедитесь в работоспособности. Нельзя считать разработку (или стандарт) законченной, пока не осуществлен ряд успешных соединений между прототипами. Очень часто разработчики сначала пишут тысячестраничное описание стандарта, утверждают его, а потом обнаруживается, что он еще очень сырой или вообще неработоспособен. Тогда пишется версия 1.1. Так быть не должно.

2. Упрощайте. Если есть сомнения, выбирайте самое простое решение. Уильям Оккам (William Occam) декларировал этот принцип еще в XIV веке (так называемая «Бритва Оккама»). Его можно кратко выразить так: «Борись с излишествами». Если какое-то свойство не является абсолютно необходимым, забудьте о нем, особенно если того же эффекта можно добиться комбинированием уже имеющихся свойств.

3. Всегда делайте четкий выбор. Если есть несколько способов реализации одного и того же, выбирайте только один из них. Увеличение количества способов приведет к проблемам. В стандартах часто можно встретить несколько опций, режимов или параметров лишь потому, что при разработке несколько авторитетных сторон настаивали на своем. Разработчики должны решительно сопротивляться подобным тенденциям. Надо просто уметь говорить «нет».

4. Используйте модульный принцип. Это правило напрямую ведет к идее стеков протоколов, в которых каждый уровень работает независимо от остальных. Таким образом, если обстоятельства требуют изменения одного модуля или уровня, то это не затрагивает другие части системы.

5. Учитывайте разнородность. Любая крупная сеть может содержать различные типы оборудования, средства передачи данных и приложения. Сетевая технология должна быть достаточно гибкой, простой и обобщенной, чтобы работать в таких условиях.

6. Избегайте статичности свойств и параметров. Если есть какие-то обязательные параметры (например, максимальный размер пакета), то лучше заставить отправителя и получателя договариваться об их конкретных значениях, чем жестко закреплять их.

7. Лучшее — враг хорошего. Очень часто разработчики создают хорошие проекты, но не могут предусмотреть какие-нибудь необычные частные случаи. Не стоит портить то, что в большинстве ситуаций работает нормально. Лучше переложить бремя ответственности за «улучшения» проекта на тех, кто предъявляет свои странные требования.

8. Будьте строги при отправке, но снисходительны при получении. Другими словами, передавайте только те пакеты, которые полностью соответствуют всем требованиям стандартов. При этом имейте в виду, что входящие пакеты не всегда идеальны и нужно постараться их обработать.

9. Продумайте масштабируемость. Если в сети работают миллионы хостов и миллиарды пользователей, о централизации можно забыть. Нагрузка должна быть распределена максимально равномерно между имеющимися ресурсами.

10. Помните о производительности и цене. Никто не будет использовать низкопроизводительную или дорогостоящую сеть.

Перейдем от общих принципов к деталям построения сетевого уровня интернета. Здесь интернет можно рассматривать как набор соединенных друг с другом сетей или автономных систем (АС). Структуры как таковой он не имеет, но все же существует несколько магистралей. Они состоят из высокопроизводительных линий и быстрых маршрутизаторов.

Самые крупные магистрали (к которым необходимо подключиться, чтобы получить доступ к остальной части интернета) называются сетями Tier 1 (Tier 1 networks). К ним присоединены провайдеры, обеспечивающие доступ к интернету для домашних пользователей и предприятий, дата-центров и станций колокации с большим числом серверов, а также для региональных сетей (сетей среднего уровня). Центры обработки данных обслуживают большую часть интернет-трафика. К региональным сетям присоединяются другие интернет-провайдеры, LAN многочисленных университетов и компаний, а также прочие периферийные сети. Эта квазииерархическая структура схематично показана на илл. 5.46.

Вся эта конструкция держится благодаря протоколу IP (Internet Protocol). В отличие от большинства ранних протоколов сетевого уровня, IP с самого начала разрабатывался для межсетевого обмена. Его задача — предоставить уровень обслуживания best effort (то есть без гарантий) при передаче пакетов от отправителя к получателю, независимо от того, находятся они в одной сети или нет.

Обмен данными в интернете происходит следующим образом. Транспортный уровень разбивает потоки данных так, чтобы их можно было отправить в виде IP-пакетов. В теории каждый пакет может достигать 64 Кбайт, но на практике он обычно не превышает 1500 байт (укладывается в один фрейм Ethernet). IP-маршрутизаторы передают пакеты по сети, от одного маршрутизатора к другому,

Илл. 5.46. Интернет представляет собой набор соединенных друг с другом сетей

пока они не достигнут места назначения. Там сетевой уровень отдает данные транспортному, а тот помещает их во входной поток принимающего процесса. Когда фрагменты приходят на устройство адресата, сетевой уровень собирает их в исходную дейтаграмму, которая затем передается транспортному уровню.

В примере на илл. 5.46 пакет, отправленный хостом домашней сети, пройдет через четыре сети и множество IP-маршрутизаторов, прежде чем доберется до сети предприятия, где расположен хост-получатель. Это обычная практика, а маршруты бывают значительно длиннее. С точки зрения связности интернет является избыточным: магистрали и провайдеры часто соединяются в нескольких точках. Отсюда и множественные пути между хостами. Задача IP — выбрать наилучший маршрут.

5.8.1. Пиринговые споры

Хотя протокол BGP является техническим стандартом, в конечном итоге любое сетевое соединение — это деньги за маршрутизацию. Трафик направляется по тем путям, которые приносят наибольшую выгоду поставщикам услуг и транзитным сетям; при этом оплата за транзит является крайней мерой. Очевидно, пиринг без взаиморасчетов возможен, только если обе стороны согласны, что это выгодное соединение. Если одна из них считает, что получает недостаточно средств от сделки, она может затребовать оплату от другой сети. Вторая сеть может согласиться или отказаться, но если переговоры заходят в тупик, возникает так называемый пиринговый спор (peering dispute).

Несколько лет назад произошел один такой резонансный спор. В последние годы крупные контент-провайдеры поставляют трафик в объемах, способных перегрузить любое межсетевое соединение. В 2013 году провайдеры видеоданных настолько нагрузили линии между транзитными провайдерами и городскими сетями доступа, что потоковый видеотрафик исчерпал всю их емкость. Такую перегрузку сложно было устранить, не увеличивая пропускную способность сети. Возник вопрос: кто должен за это платить? В результате большинство крупных контент-провайдеров стали платить сетям доступа за прямое подключение. По сути, они заключили соглашение о платном пиринге, о котором мы говорили выше. Многие ошибочно расценили это как несправедливое блокирование видеотрафика или понижение его приоритета. Но на самом деле инцидент возник из-за коммерческих споров о том, какая сеть должна оплачивать предоставление точек подключения. Подробнее о пиринговых спорах и способах их разрешения можно прочитать в книге Нортона «The Internet Peering Playbook» (Norton, 2012).

Пиринговые споры существуют со времен раннего коммерческого интернета. Однако по мере дальнейшего роста доли трафика, приходящейся на частные подключения, характер этих споров, вероятно, будет меняться. Например, сегодня городские сети доступа отправляют значительную часть своего трафика в те же распределенные облачные хранилища, где находится другой контент. Соответственно, не в их интересах сильно нагружать линии подключения к этим платформам. В последнее время некоторые операторы сетей даже предсказывают, что транзитные соединения полностью исчезнут (Хьюстон; Huston, 2018). Дойдет до этого или нет — покажет время, но без сомнения можно сказать, что события в области пиринга, интернет-соединений и транзита трафика будут развиваться очень динамично.

1. При каких условиях служба, ориентированная на установление соединения, будет (или по крайней мере должна) доставлять пакеты не по порядку? Обоснуйте свой ответ.

2. Рассмотрим проблему проектирования, которая возникает при реализации сервиса с виртуальными каналами. Если в сети используются виртуальные каналы, то каждый пакет данных должен иметь 3-байтный заголовок, а каждый маршрутизатор должен выделить 8 байт памяти для идентификации канала. Если сеть основана на дейтаграммах, нужны 15-байтные заголовки, но не требуется место в таблице маршрутизатора. Стоимость пропускной способности составляет 1 цент за 106 байт для каждого транзитного участка. Стоимость быстродействующей памяти для маршрутизатора составляет 1 цент за 1 байт; при этом срок ее амортизации равен двум годам при 40-часовой рабочей неделе. Согласно статистике, сеанс в среднем длится 1000 с, и за это время передается 200 пакетов. В среднем пакету требуется четыре транзитных участка. Какая реализация эффективнее и насколько?

3. Докажите, что проблема счета до бесконечности на илл. 5.10 (б) будет решена, если маршрутизаторы добавят в своих векторах расстояний исходящее соединение для каждой пары «получатель — стоимость». Например, узел C на илл. 5.10 (а) не только объявит маршрут до узла A с расстоянием 2, но и сообщит, что этот путь проходит через узел B. Покажите расстояния от каждого маршрутизатора до A после каждого обмена векторами расстояний, пока все маршрутизаторы не убедятся в том, что узел A больше для них не доступен.

4. Рассмотрим сеть на илл. 5.12 (а). Используется алгоритм дистанционно-векторной маршрутизации. На маршрутизатор D только что поступили следующие пакеты состояния линий: от A: (B: 5, E: 4); от B: ( A: 4, C: 1, F: 5); от C: (B: 3, D: 4, E: 3); от E: ( A: 2, C: 2, F: 2); от F: (B: 1, D: 2, E: 3). Накладные расходы от D до C и F равны 3 и 4 соответственно. Какой будет новая таблица маршрутизатора D? Укажите используемые выходные линии и ожидаемые накладные расходы.

5. Рассмотрим сеть на илл. 5.7, не учитывая при этом указанные на линиях веса. Допустим, что в качестве алгоритма маршрутизации используется лавинная адресация. Перечислите все маршруты пакета, отправленного из A в D, если максимальное количество транзитных участков равно 3. Сколько пропускной способности затратит этот пакет в пересчете на количество транзитных участков?

6. Предложите простой эвристический метод нахождения двух путей (если они существуют) от конкретного источника к конкретному адресату, гарантирующий сохранение связи при обрыве любой линии. Маршрутизаторы при этом достаточно надежны, поэтому рассматривать возможность их сбоя не нужно.

7. Рассмотрим подсеть на илл. 5.12 (а). Используется алгоритм дистанционно-векторной маршрутизации. На маршрутизатор C только что поступили следующие векторы: от B: (5, 0, 8, 12, 6, 2); от D: (16, 12, 6, 0, 9, 10); от E: (7, 6, 3, 9, 0, 4). Накладные расходы от C до B, D и E равны 6, 3 и 5 соответственно. Какой будет новая таблица маршрутизатора C? Укажите используемые выходные линии и ожидаемые накладные расходы.

8. Объясните, в чем состоит разница между маршрутизацией, пересылкой и коммутацией.

9. На илл. 5.13 логическое ИЛИ двух наборов ACF-битов равно 111 для каждого ряда. Является ли это случайностью или же это значение одинаково во всех подсетях при любых условиях?

10. Какие размеры регионов и кластеров следует выбрать для минимизации таблиц маршрутизации при трехуровневой иерархической маршрутизации, если число маршрутизаторов равно 4800? Начните с гипотезы о том, что решение в виде k кластеров по k регионов из k маршрутизаторов близко к оптимальному. Это значит, что k примерно равно корню кубическому из 4800 (около 16). Методом проб и ошибок подберите все три параметра так, чтобы они были близки к 16.

11. В тексте было отмечено, что когда мобильный хост находится вне дома, пакеты, отправленные на адрес его домашней LAN, перехватываются внутренним агентом этой LAN. Как этот перехват осуществляет внутренний агент в IP-сети на основе локальной сети 802.3?

12. Сколько широковещательных пакетов формируется маршрутизатором B на илл. 5.6 с помощью:

а) пересылки в обратном направлении;

б) входного дерева?

13. Рассмотрим сеть на рис 5.15 (а). Предположим, что добавляется новая линия между F и G, но входное дерево на илл. 5.15 (б) не меняется. Какие изменения нужно внести в илл. 5.15 (в)?

14. Два хоста соединены друг с другом через маршрутизатор. Объясните, как может возникнуть перегрузка, даже если оба хоста и маршрутизатор используют управление потоком (но не контроль перегрузок). Также объясните, каким образом может быть перегружен получатель при контроле перегрузок, но без управления потоком.

15. В качестве механизма борьбы с перегрузкой в сети с виртуальными каналами маршрутизатор может воздержаться от подтверждения полученного пакета, пока не узнает, что его последняя передача по виртуальному каналу была успешно доставлена, и пока у него нет свободного буфера. Для простоты предположим, что маршрутизаторы используют протокол с ожиданием и что у каждого виртуального канала есть один буфер, выделенный ему для каждого направления трафика. Передача пакета (данных или подтверждения) занимает Т секунд. Путь пакета проходит через n маршрутизаторов. С какой скоростью пакеты доставляются адресату? Предполагается, что ошибки очень редки, а связь между хостом и маршрутизатором почти не отнимает времени.

16. Дейтаграммная сеть позволяет маршрутизаторам при необходимости удалять пакеты. Вероятность того, что маршрутизатор отвергнет пакет, равна p. Представим путь, проходящий от хоста к хосту через два маршрутизатора. Если один из маршрутизаторов отвергнет пакет, у хоста-источника рано или поздно истечет интервал ожидания, и он попытается повторить передачу. Если обе линии (хост — маршрутизатор и маршрутизатор — маршрутизатор) считать за транзитные участки, чему равно среднее число:

а) транзитных участков, преодолеваемых пакетом за одну передачу;

б) передач для одного пакета;

в) транзитных участков, необходимых для получения пакета?

17. В чем состоит основная разница между двумя методами предотвращения перегрузки: ECN и RED?

18. Объясните, каким образом передача больших файлов может увеличить задержку, наблюдаемую при пересылке небольших файлов или данных игрового приложения.

19. Одно из возможных решений предыдущей проблемы сводится к тому, чтобы формировать трафик передачи файлов таким образом, чтобы он никогда не превышал определенную скорость. Вы решили формировать трафик так, чтобы его скорость никогда не превышала 20 Мбит/с. Какой алгоритм для этого подойдет — маркерного ведра, дырявого ведра или ни один из них? Какой должна быть скорость протекания ведра?

20. Отправитель передает данные со скоростью 100 Мбит/с. Вы решили автоматически отбрасывать идущий от него трафик через 1 с. Каким должен быть размер ведра в байтах?

21. Компьютер использует маркерное ведро емкостью 500 Мбайт и скоростью 5 Мбайт/с. После того как в ведро поступает 300 Мбайт, скорость возрастает до 15 Мбайт/с. Сколько потребуется времени, чтобы передать 1000 Мбайт?

22. Рассмотрим очереди пакетов на илл. 5.29. Назовите время завершения и порядок отправки пакетов, если вес 2 будет иметь не нижняя, а средняя очередь? Пакеты с одинаковым временем завершения отправки следует расположить в алфавитном порядке.

23. Имеется следующая спецификация потока: максимальный размер пакета — 1000 байт, скорость маркерного ведра — 10 Мбайт/с, его размер — 1 Мбайт, максимальная скорость передачи — 50 Мбайт/с. Сколько может длиться передача непрерывной последовательности данных на максимальной скорости?

24. Сеть на илл. 5.32 использует RSVP в деревьях групповой рассылки для хостов 1 и 2. Допустим, хост 3 запрашивает канал с пропускной способностью 2 Мбайт/с для потока от хоста 1 и еще один канал с пропускной способностью 1 Мбайт/с для потока от хоста 2. Одновременно хост 4 запрашивает канал с пропускной способностью 2 Мбайт/с для потока от хоста 1, а хост 5 запрашивает канал с пропускной способностью 1 Мбайт/с для потока от хоста 2. Какую суммарную пропускную способность необходимо зарезервировать для удовлетворения перечисленных запросов на маршрутизаторах A, B, C, E, H, J, K и L?

25. Маршрутизатор может обрабатывать 2 млн пакетов в секунду. Нагрузка составляет в среднем 1,5 млн пакетов в секунду. Сколько времени уйдет на формирование очередей и обслуживание пакетов процессорами, если на пути от источника до получателя имеется 10 маршрутизаторов?

26. Допустим, пользователь получает дифференцированное обслуживание со срочной переадресацией. Есть ли гарантия того, что срочные пакеты будут испытывать меньшую задержку, чем обычные? Ответ поясните.

27. Допустим, хост А соединен с маршрутизатором R1. Тот, в свою очередь, соединен с маршрутизатором R2, а R2 — с хостом B. Сообщение TCP, содержащее 900 байт данных и 20 байт TCP-заголовка, передается IP-программе, установленной на хосте А, для доставки его хосту В. Каковы значения полей Total length, Identification, DF, MF и Fragment offset IP-заголовка каждого пакета, передающегося по трем линиям? Предполагается, что на линии А–R1 максимальный размер фрейма равен 1024 байтам, включая 14-байтный заголовок фрейма, на линии R1–R2 он составляет 512 байт, включая 8-байтный заголовок, и на линии R2–B — 512 байт, включая 12-байтный заголовок.

28. Маршрутизатор обрабатывает IP-пакеты, общая длина которых (включая данные и заголовок) равна 1024 байта. Предполагая, что пакеты существуют в течение 10 с, вычислите максимальную скорость передачи данных, с которой может работать маршрутизатор без риска зацикливания в пространстве идентификационных номеров IP-дейтаграммы.

29. IP-дейтаграмма, использующая опцию Strict source routing, должна быть фрагментирована. Копируется ли эта опция в каждый фрагмент или достаточно поместить ее в первый фрагмент? Обоснуйте свой ответ.

30. Представьте, что вместо 16 бит в адресе класса B для обозначения номера сети отводилось бы 20 бит. Сколько было бы тогда сетей класса B?

31. Преобразуйте IP-адрес, шестнадцатеричное представление которого равно C22F1582, в десятичный формат, разделенный точками.

32. Двум устройствам с поддержкой IPv6 необходимо связаться друг с другом в интернете. К сожалению, путь между ними проходит через сеть, в которой еще не была внедрена поддержка протокола IPv6. Каким образом могут связаться эти два устройства?

33. Маска подсети сети интернета равна 255.255.240.0. Чему равно максимальное число хостов в ней?

34. IP-адреса подходят для обозначения сетей, а Ethernet-адреса — нет. Как вы думаете, почему?

35. Существует множество адресов, начинающихся с IP-адреса 198.16.0.0. Допустим, организации A, B, C и D запрашивают 4000, 2000, 4000 и 8000 адресов соответственно. Для каждой из них укажите первый и последний выданные адреса, а также маску вида w.x.y.z/s.

36. Маршрутизатор только что получил информацию о следующих IP-адресах: 57.6.96.0/21, 57.6.104.0/21, 57.6.112.0/21 и 57.6.120.0/21. Если для них используется одна и та же исходящая линия, можно ли их агрегировать? Если да, то во что? Если нет, то почему?

37. Набор IP-адресов с 29.18.0.0 по 29.18.127.255 агрегирован в 29.18.0.0/17. При этом, однако, остался пробел из 1024 свободных адресов с 29.18.60.0 по 29.18.63.255, которые впоследствии были присвоены хосту, использующему другую исходящую линию. Нужно ли теперь разделить агрегированный адрес на составляющие, добавить в таблицу новый блок, а потом посмотреть, возможна ли новая агрегация? Если нет, тогда что можно сделать?

38. Имеются три маршрутизатора: A, B и C. Маршрутизатор A объявляет маршруты для диапазонов адресов 37.62.5.0/24, 37.62.2.0/23 и 37.62.128.0/17. Маршрутизатор B объявляет маршруты для диапазонов адресов 37.61.63.0/24 и 37.62.64.0/18. Затем они агрегируют свои диапазоны и объявляют полученный результат маршрутизатору C. К каким ошибкам в маршрутизации это приведет, если таблица маршрутизатора C будет содержать только эти два агрегированных диапазона адресов? Что могут сделать маршрутизаторы, чтобы не допустить этого?

39. Многие компании устанавливают два и более маршрутизатора для соединения с провайдером, что гарантирует некоторый запас прочности на случай, если один из маршрутизаторов выйдет из строя. Применима ли такая политика при использовании NAT? Обоснуйте свой ответ.

40. Вы собрались поиграть со своим другом по интернету. Он запустил игровой сервер и сообщил вам номер прослушиваемого сервером порта. Допустим, что и ваша сеть, и сеть вашего друга отделены от интернета NAT-блоком. Что при этом делает NAT с входящими пакетами, которые вы отправляете? Как можно избавиться от этой проблемы, не убирая NAT?

41. Два компьютера, расположенные в одной сети, пытаются использовать один и тот же номер порта для связи с сервером в другой сети. Возможно ли это? Объясните свой ответ. Что изменится, если эти компьютеры будут отделены от других сетей NAT-блоком?

42. Вы рассказали другу про протокол ARP. Когда вы закончили объяснения, он сказал: «Ясно. ARP предоставляет услуги сетевому уровню, а значит, является частью канального». Что вы ему ответите?

43. Вы подключаете телефон к беспроводной сети у себя дома. Эта сеть создана модемом, предоставленным вашим провайдером. Используя протокол DHCP, ваш телефон получает IP-адрес 192.168.0.103. Каким, скорее всего, будет IP-адрес отправителя в сообщении DHCP OFFER?

44. Опишите способ сборки пакета из фрагментов на стороне получателя.

45. В большинстве алгоритмов сборки IP-дейтаграмм из фрагментов используется таймер, чтобы из-за потерянного фрагмента буфер, где производится повторная сборка, не оказался занят остальными фрагментами. Предположим, дейтаграмма делится на четыре фрагмента. Первые три прибывают к получателю, а четвертый задерживается. У получателя истекает период ожидания, и три фрагмента удаляются из его памяти. Позже приходит последний фрагмент. Как следует с ним поступить?

46. В IP контрольная сумма покрывает только заголовок, но не данные. Почему, как вы полагаете, была выбрана подобная схема?

47. Жительница Бостона едет в Миннеаполис, захватив с собой ноутбук. К ее удивлению, в Миннеаполисе LAN является беспроводной локальной IP-сетью, поэтому ей не нужно подключать свой ноутбук. Нужно ли, тем не менее, проходить процедуру с внутренним и внешним агентом, чтобы электронная почта и другой трафик приходили корректно?

48. Протокол IPv6 использует 16-байтные адреса. На какое время их хватит, если каждую пикосекунду назначать блок в 1 млн адресов?

49. Чтобы решить проблему нехватки адресов IPv4, интернет-провайдеры могут динамически выделять их своим клиентам. После полного развертывания IPv6 адресное пространство станет достаточным для предоставления уникального адреса каждому устройству. При этом для упрощения системы можно было бы выделять каждому устройству постоянный адрес IPv6. Объясните, почему не стоит этого делать?

50. Поле Protocol, используемое в заголовке IPv4, отсутствует в фиксированном заголовке IPv6. Почему?

51. Должен ли протокол ARP быть изменен при переходе на IPv6? Если да, то какими должны быть эти изменения — концептуальными или техническими?

52. Напишите программу, моделирующую маршрутизацию методом лавинной адресации. Все пакеты должны содержать счетчик, уменьшающийся на каждом маршрутизаторе. Когда счетчик доходит до нуля, пакет удаляется. Время дискретно, и каждая линия обрабатывает за временной интервал один пакет. Создайте три версии этой программы: с лавинной адресацией по всем линиям; по всем линиям, кроме входной; только по k лучшим линиям (выбираемым статически). Сравните лавину с детерминированной маршрутизацией (k = 1) с точки зрения задержки и использования пропускной способности.

53. Напишите программу, моделирующую компьютерную сеть с дискретным временем. Первый пакет в очереди каждого маршрутизатора преодолевает по одному транзитному участку за интервал времени. Число буферов всех маршрутизаторов ограниченно. Прибывший пакет, для которого нет свободного места, игнорируется и повторно не передается. Вместо этого используется сквозной протокол с тайм-аутами и пакетами подтверждения, который в результате вызывает повторную передачу пакета маршрутизатором-источником. Постройте график производительности сети как функции сквозного интервала времени ожидания при разных значениях частоты ошибок.

54. Напишите функцию, осуществляющую пересылку в IP-маршрутизаторе. У процедуры должен быть один параметр — IP-адрес. Также у нее есть доступ к глобальной таблице, представляющей собой массив из троек значений. Каждая тройка содержит следующие целочисленные значения: IP-адрес, маску подсети и исходящую линию. Функция ищет IP-адрес в таблице, используя CIDR, и возвращает номер исходящей линии.

55. Используя программы traceroute (UNIX) или tracert (Windows), исследуйте маршрут от вашего компьютера до различных университетов мира. Составьте список трансокеанских линий. Вот некоторые адреса:

www.berkeley.edu (Калифорния)

www.mit.edu (Массачусетс)

www.vu.nl (Амстердам)

www.ucl.ac.uk (Лондон)

www.usyd.edu.au (Сидней)

www.u-tokyo.ac.jp (Токио)

www.uct.ac.za (Кейптаун)

6.1.1. Службы, предоставляемые верхним уровням

Конечная цель транспортного уровня — предоставить эффективную, надежную и экономичную службу передачи данных своим пользователям (обычно это процессы прикладного уровня). Для этого транспортный уровень применяет службы, предоставленные сетевым уровнем. Программа и/или оборудование, выполняющие работу транспортного уровня, называются транспортной подсистемой, или транспортным объектом (transport entity). Эта подсистема может находиться в ядре операционной системы, в библиотечном модуле, загруженном сетевом приложении, в отдельном пользовательском процессе или даже в сетевой интерфейсной плате. Первые два варианта чаще всего встречаются в интернете. Логическая взаимосвязь сетевого, транспортного и прикладного уровней проиллюстрирована на илл. 6.1.

Илл. 6.1. Сетевой, транспортный и прикладной уровни

На транспортном уровне, как и на сетевом, могут быть службы, ориентированные на установление соединения, и службы без установления соединения. Транспортная служба с установлением соединения во многом похожа на аналогичную сетевую. В обоих случаях соединение проходит три этапа: установление, передача данных и разъединение.

Адресация и управление потоком на этих уровнях также похожи. Более того, даже транспортные службы без установления соединения очень напоминают аналогичные сетевые. Но важно отметить, что реализовать комбинацию транспортной службы без установления соединения и сетевой службы с установлением соединения достаточно трудно, так как для этого приходится разрывать только что созданное соединение сразу же после отправки одного пакета, а это неэффективно.

Возникает закономерный вопрос: если транспортные и сетевые службы так похожи, то зачем нужны два разных уровня? Почему одного недостаточно? Это довольно тонкий, но ключевой вопрос. Программное обеспечение транспортного уровня запускается целиком на пользовательских устройствах, а сетевой уровень — в основном на маршрутизаторах, управляемых оператором связи (по крайней мере, в WAN). Что произойдет, если сетевой уровень будет предоставлять службу с установлением соединения, но она будет ненадежной? Что, если она часто будет терять пакеты? Что случится, если маршрутизаторы будут время от времени выходить из строя?

Все это приведет к большим трудностям. Пользователи не контролируют сетевой уровень, поэтому не смогут решить проблему плохого обслуживания, используя более совершенные маршрутизаторы или совершенствуя обработку ошибок канального уровня (просто потому, что маршрутизаторы им не принадлежат). Единственная возможность — расположить над сетевым уровнем еще один уровень, который будет улучшать QoS. Если в сети без установления соединения пакеты теряются или передаются с искажениями, транспортная подсистема обнаруживает проблему и выполняет повторную передачу. Если в сети с установлением соединения транспортная подсистема узнает, что ее сетевое соединение было внезапно прервано (без сведений о том, что случилось с передаваемыми в этот момент данными), она может установить новое соединение с удаленной транспортной подсистемой. По нему она может отправить запрос к равноранговому объекту и узнать, какие данные дошли до адресата, а какие нет. Затем транспортная подсистема может продолжить передачу с того момента, где она оборвалась.

По сути, наличие транспортного уровня делает транспортную службу более надежной, чем нижележащая сеть, которая не отличается стабильностью. Более того, транспортные примитивы могут быть реализованы в виде вызовов библиотечных процедур, чтобы не зависеть от сетевых примитивов. Сетевые вызовы варьируются в разных сетях (например, обращения в сети Ethernet без установления соединения могут значительно отличаться от обращений в сети с установлением соединения). Если скрыть сетевую службу за набором транспортных примитивов, то для изменений в сети потребуется простая замена одного набора библиотечных процедур другим. При этом он будет делать то же самое, но c помощью других служб более низкого уровня. Независимость приложений от сетевого уровня несет очевидную пользу.

Благодаря транспортному уровню прикладные программисты могут писать код согласно стандартному набору примитивов и сохранять работоспособность программ в самых разных сетях. Им не приходится учитывать разнообразные сетевые интерфейсы и уровни надежности. Если бы все сети работали идеально, имели одинаковые примитивы служб и никогда не менялись, то транспортный уровень, вероятно, был бы не нужен. Однако в реальности он выполняет ключевую функцию: изолирует верхние уровни от деталей технологии, устройства и несовершенства сети.

Именно по этой причине часто разграничивают уровни с первого по четвертый и уровни выше четвертого. Нижние уровни можно рассматривать как поставщика транспортных служб (transport service provider), а верхние уровни — как пользователя транспортных служб (transport service user). Разделение на поставщика и пользователя серьезно влияет на устройство уровней и делает транспортный уровень ключевым. Он формирует основную границу между поставщиком и пользователем надежной службы передачи данных. Именно этот уровень виден приложениям.

6.2.1. Адресация

Когда один прикладной процесс желает установить соединение с другим прикладным процессом, он должен его конкретно указать. Обычно для этого задаются транспортные адреса, куда процессы отправляют запросы на установление соединения. В интернете такие конечные точки на транспортном уровне называются портами. Для их обозначения мы будем пользоваться нейтральным термином точка доступа к службам транспортного уровня (Transport Service Access Point, TSAP). Аналогичные конечные точки сетевого уровня (то есть адреса сетевого уровня) называются точками доступа к сетевым службам (Network Service Access Point, NSAP). Примерами NSAP являются IP-адреса.

На илл. 6.8 показаны взаимоотношения между NSAP, TSAP и транспортным соединением. Прикладные процессы клиента и сервера могут связываться с локальной TSAP для установления соединения с удаленной TSAP. Такие соединения проходят через NSAP на каждом хосте, как показано на рисунке. TSAP нужны для того, чтобы различать конечные точки, совместно использующие NSAP, в сетях, где у каждого компьютера есть своя NSAP.

Возможный сценарий для транспортного соединения выглядит следующим образом.

6.3.1. Выделение требуемой пропускной способности

Перед тем как перейти к описанию методов регулирования трафика, необходимо понять, чего мы хотим от алгоритма контроля перегрузки. Мы должны определить, какое состояние сети он должен поддерживать. В задачи этого алгоритма входит не только предотвращение перегрузок: он должен правильно распределять пропускную способность между транспортными подсистемами, работающими в сети. Правильное распределение пропускной способности должно обеспечивать хорошую производительность (сеть должна работать с использованием всей доступной мощности без перегрузок), соответствовать принципу равноправия конкурирующих транспортных подсистем и быстро отслеживать изменения в запросах на выделение ресурсов. Мы рассмотрим каждый из этих критериев отдельно.

6.4.1. Основы UDP

В наборе интернет-протоколов есть протокол передачи пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP). Это транспортный протокол без установления соединения, описанный в RFC 768. UDP позволяет приложениям отправлять инкапсулированные IP-дейтаграммы без установления соединений.

С помощью UDP передаются сегменты, состоящие из 8-байтного заголовка, за которым следует поле Payload. Заголовок показан на илл. 6.27. Два порта служат для идентификации сокетов на отправляющем и принимающем устройствах. Когда приходит пакет UDP, содержимое Payload передается процессу, связанному с портом назначения. Это связывание происходит при выполнении BIND (или похожего примитива). Это показано на илл. 6.6 применительно к TCP (в UDP процесс связывания происходит так же). Представьте, что порты — это почтовые ящики, арендуемые приложениями, чтобы получать пакеты. Мы поговорим о них подробнее при обсуждении TCP, который тоже использует порты. В сущности, весь смысл применения UDP вместо обычного IP заключается как раз в указании портов отправителя и получателя. Без этих двух полей

Илл. 6.27. Заголовок UDP

на транспортном уровне невозможно было бы определить, что делать с входящим пакетом. В соответствии с полями портов вложенные сегменты доставляются соответствующим приложениям.

Информация о порте источника требуется прежде всего при создании ответа, пересылаемого отправителю. Копируя значения поля Source port (Порт отправителя) входящего сегмента в поле Destination port (Порт получателя) исходящего сегмента, процесс, отправляющий ответ, указывает, какому именно процессу на противоположной стороне этот ответ предназначен.

Поле UDP length состоит из заголовка и данных. Минимальная длина равна длине заголовка, то есть 8 байт. Максимальная длина составляет 65 515 байт — меньше, чем максимальное число, которое может поместиться в 16 бит, из-за ограничений на размер IP-пакета.

Необязательное поле Checksum служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений в поле Checksum устанавливается нулевое значение, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы. В результате, когда получатель считает контрольную сумму всего сегмента, включая поле Checksum, результат должен быть равен 0. Если она не подсчитывается, ее значение равно 0 (настоящая нулевая контрольная сумма кодируется всеми единицами). Однако отключать функцию подсчета контрольной суммы глупо, за исключением одного случая — когда нужна высокая производительность (например, при передаче оцифрованной речи).

В случае IPv4 псевдозаголовок будет выглядеть так, как показано на илл. 6.28. Он содержит 32-разрядные IP-адреса отправителя и получателя, номер протокола для UDP (17) и счетчик байтов для UDP-сегмента (включая заголовок). В случае IPv6 он выглядит аналогично, хотя и с некоторыми отличиями. Включение псевдозаголовка в контрольную сумму UDP помогает обнаружить неверно доставленные пакеты, хотя это нарушает иерархию протоколов, так как IP-адреса в нем принадлежат IP-уровню, а не UDP-уровню. В TCP для контрольной суммы используется такой же псевдозаголовок.

Илл. 6.28. Псевдозаголовок, включаемый в контрольную сумму UDP

Наверное, стоит прямо сказать, чего UDP не делает. Итак, UDP не занимается управлением потоком данных, контролем перегрузки, повторной передачей после приема испорченного сегмента. Все это перекладывается на пользовательские процессы. Что же он делает? UDP предоставляет интерфейс для IP путем демультиплексирования нескольких процессов с использованием портов и необязательного сквозного обнаружения ошибок. На этом все.

Для процессов, которые должны управлять потоком, контролировать ошибки и временные интервалы, протокол UDP — это как раз то, что доктор прописал. Особенно это полезно в клиент-серверных ситуациях. Зачастую клиент отправляет короткий запрос серверу и надеется получить короткий ответ. Если запрос или ответ теряется, клиент по прошествии определенного временного интервала может попытаться еще раз. Это позволяет не только упростить код, но и уменьшить требуемое количество сообщений по сравнению с протоколами, которым требуется начальная настройка (например, TCP).

Служба имен доменов (Domain Name System, DNS) — это приложение, которое использует UDP именно так, как описано выше. Мы изучим его в главе 7. В двух словах, если программе нужно найти IP-адрес по имени хоста, например www.cs.berkeley.edu, она может отослать UDP-пакет с этим именем на сервер DNS. Сервер в ответ на запрос отправляет UDP-пакет с IP-адресом хоста. Не требуется никакой предварительной настройки, как и разрыва соединения после завершения задачи. По сети просто передаются два сообщения.

6.5.1. Основы TCP

Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) был разработан специально для обеспечения надежного сквозного байтового потока по ненадежной интерсети. Интерсеть отличается от отдельной сети тем, что ее участки могут сильно различаться по топологии, пропускной способности, значениям времени задержки, размерам пакетов и другим параметрам. При разработке TCP основное внимание уделялось способности протокола адаптироваться к свойствам интерсети и отказоустойчивости при возникновении всевозможных проблем.

TCP был описан в RFC 793 в сентябре 1981 года. Со временем он был во многом усовершенствован, были исправлены различные ошибки и неточности. На сегодняшний день существует множество других RFC, являющихся дополнениями к RFC 793 (что позволяет судить о распространенности этого протокола). Уточнения и исправления описаны в RFC 1122, расширения для высокой производительности — в RFC 1323, выборочные подтверждения — в RFC 2018, контроль перегрузки — в RFC 2581, использование полей заголовка для QoS — в RFC 2873, усовершенствованные таймеры повторной передачи — в RFC 2988, явные уведомления о перегрузке — в RFC 3168. Поскольку это далеко не полный список, для удобной работы со всеми этими RFC был создан специальный указатель (конечно же, в виде еще одного RFC-документа) — RFC 4614.

Каждый компьютер, поддерживающий TCP, имеет транспортную подсистему TCP, которая является либо библиотечной процедурой, либо пользовательским процессом, либо (чаще всего) частью ядра системы. В любом случае транспортная подсистема управляет TCP-потоками и интерфейсом с IP-уровнем. Она принимает потоки пользовательских данных от локальных процессов, делит их на части, не превышающие 64 Кбайт (на практике это число обычно равно 1460 байтам данных, что позволяет поместить их в один фрейм Ethernet с заголовками IP и TCP), и отправляет их в виде отдельных IP-дейтаграмм. Когда IP-дейтаграммы с TCP-данными приходят на компьютер, они передаются TCP-подсистеме, которая восстанавливает исходный байтовый поток. Для простоты мы иногда будем употреблять «TCP» для обозначения транспортной подсистемы TCP (части программного обеспечения) или протокола TCP (набора правил). Из контекста будет понятно, что имеется в виду. Например, в выражении «Пользователь передает данные TCP» подразумевается, естественно, транспортная подсистема TCP.

Уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм и не накладывает ограничений на скорость их отправки. Именно TCP приходится выбирать правильную скорость отправки (согласно целям эффективного использования пропускной способности и предотвращения перегрузок), следить за истекшими интервалами ожидания и в случае необходимости заниматься повторной передачей дейтаграмм, не достигших адресата. Иногда дейтаграммы доставляются в неправильном порядке. Восстанавливать из них сообщения также обязан TCP. Таким образом, протокол TCP призван обеспечить хорошую производительность и надежность, о которой мечтают многие приложения и которая не предоставляется протоколом IP.

6.6.1. QUIC

Протокол QUIC (Quick UDP Internet Connections — быстрые интернет-соединения UDP) был изначально предложен в качестве транспортного протокола, призванного улучшить ряд характеристик TCP относительно пропускной способности и величины задержки. Еще до стандартизации он уже использовался более чем в половине соединений между браузером Chrome и сервисами Google. Несмотря на это, он не поддерживается большинством остальных веб-браузеров.

Как и предполагает его название, протокол QUIC работает поверх UDP и служит главным образом для ускорения прикладных протоколов, в частности веб-протоколов, о которых пойдет речь в главе 7. В ней мы подробно поговорим о том, как QUIC взаимодействует с прикладными протоколами интернета. Как мы вскоре убедимся, интернет требует установления множества параллельных соединений для загрузки отдельной веб-страницы. Поскольку многие из этих соединений представляют собой соединения с общим сервером, установление нового соединения для загрузки каждого отдельного веб-объекта может привести к значительным тратам ресурсов. В результате QUIC стремится мультиплексировать такие соединения в единый UDP-поток, гарантируя при этом, что откладывание пересылки одного веб-объекта не заблокирует передачу остальных.

Базируясь на протоколе UDP, QUIC не обеспечивает надежную передачу автоматически. При потере данных одного потока он может продолжить независимую транспортировку данных других потоков, что в итоге повышает производительность каналов с высокой частотой ошибок передачи. В QUIC также применяется ряд других методов оптимизации для повышения производительности. Среди них вложение информации о шифровании прикладного уровня при установлении транспортного соединения и независимое шифрование каждого пакета (чтобы потеря одного из них не препятствовала декодированию последующих пакетов). Кроме того, QUIC может ускорять передачу обслуживания между сетями (например, переключение с мобильного соединения на Wi-Fi). Он использует идентификатор соединения для сохранения состояния, когда конечные точки меняют сеть.

1. Проблемы производительности.

2. Оценка производительности сети.

3. Оценка пропускной способности сетей доступа.

4. Оценка QoE.

5. Проектирование хостов для быстрых сетей.

6. Быстрая обработка сегментов.

7. Сжатие заголовка.

8. Протоколы для протяженных сетей с высокой пропускной способностью.

Таким образом, мы рассмотрим производительность с точки зрения операций, выполняемых на хостах и при перемещении данных по сети, а также с точки зрения размера и быстродействия сети.

1. В нашем примере транспортных примитивов, приведенных на илл. 6.2, LISTEN является блокирующим вызовом. Обязательно ли это? Если нет, объясните, как следует пользоваться неблокирующим примитивом. Какое преимущество это даст по сравнению с представленной нами схемой?

2. Приложение для общения в чате, использующее протокол TCP, многократно вызывает функцию получения данных receive() и выводит полученные данные как новое сообщение. К какой проблеме может привести такой подход?

3. В модели, лежащей в основе диаграммы состояний на илл. 6.4, предполагается, что пакеты могут теряться на сетевом уровне и поэтому должны подтверждаться индивидуально. Допустим, сетевой уровень обеспечивает 100 %-ную надежность доставки и никогда не теряет пакеты. Нужны ли какие-нибудь изменения в диаграмме состояний на илл. 6.4, и если да, то какие?

4. В обеих частях илл. 6.6 значение SERVER_PORT должно быть одинаковым у клиента и у сервера. Почему это так важно?

5. Предположим, что используется управляемая таймером схема генерирования начальных порядковых номеров с 15-разрядным счетчиком тактовых импульсов. Таймер срабатывает один раз в 100 мс, а максимальное время жизни пакета равно 60 с. Как часто должна производиться ресинхронизация:

а) в наихудшем случае?

б) если на данные тратится 240 порядковых номеров в минуту?

6. Почему максимальное время жизни пакета T должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что не только пакет, но и его подтверждение исчезли?

7. Представьте протокол транспортного уровня, ориентированный на установление соединения, который выбирает порядковые номера для пакетов на основе времени суток. Таймер использует 10-битный счетчик и срабатывает с интервалом в 125 мс. Максимальное время жизни пакета — 64 с. Если отправитель передает по 4 пакета/с, как долго соединение будет работать без захода в запретную зону?

8. Объясните, в чем состоит разница между использованием протокола раздвижного окна на канальном уровне и его использованием на транспортном уровне с точки зрения тайм-аутов протокола.

9. Рассмотрим проблему восстановления после сбоев хостов (илл. 6.18). Если бы интервал между записью и отправкой подтверждения (или наоборот) можно было сделать относительно небольшим, какими были бы две лучшие стратегии отправителя и получателя, минимизирующие риск ошибки протокола?

10. В сеть на илл. 6.20 добавляется новый поток E, который идет через маршрутизаторы R1, R2 и R6. Как изменится распределение пропускной способности по максиминному критерию для пяти потоков?

11. Допустим, потоки на илл. 6.20 реорганизованы так, что поток A проходит через маршрутизаторы R1, R2, R3, B — через R1, R2, R5, R6, C — через R4, R2, R3, а D — через R4, R2, R3. Как при этом будет выглядеть распределение пропускной способности по максиминному критерию?

12. Обсудите преимущества и недостатки схемы кредитного протокола по сравнению с протоколами раздвижного окна.

13. Существуют и другие стратегии, обеспечивающие равнодоступность при контроле перегрузки: аддитивное увеличение, аддитивное уменьшение (Additive Increase Additive Decrease, AIAD); мультипликативное увеличение, аддитивное уменьшение (Multiplicative Increase Additive Decrease, MIAD); мультипликативное увеличение, мультипликативное уменьшение (Multiplicative Increase Multiplicative Decrease, MIMD). Что вы можете сказать об их сходимости и стабильности?

14. Имеется протокол транспортного уровня, который использует правило AISRD (Additive Increase Square Root Decrease — аддитивное увеличение, уменьшение по закону квадратного корня). Сходится ли эта версия протокола к справедливому распределению пропускной способности?

15. Два хоста одновременно передают данные через сеть с пропускной способностью 1 Мбит/с. Хост A использует UDP и передает 100-байтный пакет за 1 мс. Хост B генерирует данные со скоростью 600 Кбит/с и использует TCP. Какой хост получит более высокую пропускную способность?

16. Зачем нужен протокол UDP? Разве не достаточно было бы просто позволить пользовательским процессам отправлять необработанные IP-пакеты?

17. Рассмотрим простой протокол прикладного уровня на основе UDP, позволяющий клиенту запрашивать файл с удаленного сервера, расположенного по общеизвестному адресу. Клиент отправляет запрос с именем файла, а сервер отвечает последовательностью информационных пакетов с разными частями запрошенного файла. Для обеспечения надежности и доставки частей в правильном порядке клиент и сервер используют протокол с ожиданием. Какие сложности могут возникнуть с таким протоколом, кроме очевидных проблем с производительностью? Учитывайте вероятность сбоя процессов.

18. Клиент отправляет 128-байтный запрос на сервер, удаленный от него на 100 км, по оптоволокну со скоростью 1 Гбит/с. Какова эффективность линии во время выполнения удаленного вызова процедуры?

19. Вновь рассмотрите ситуацию, описанную в предыдущем вопросе. Вычислите минимально возможное время ответа для данной линии со скоростью 1 Гбит/с и для линии со скоростью 1 Мбит/с. Какой вывод можно сделать, исходя из полученных значений?

20. Как в UDP, так и в TCP номера портов используются для идентификации принимающей подсистемы при доставке сообщения. Назовите две причины того, почему для этих протоколов были изобретены новые абстрактные идентификаторы (номера портов) и не использовались идентификаторы процессов, уже существовавшие на момент появления данных протоколов.

21. Почему протокол RTP обычно реализуется поверх UDP, а не TCP? При каких условиях приложение может использовать RTP на основе TCP?

22. Рассмотрим две сети, N1 и N2, с одинаковой средней задержкой при передаче пакетов от источника A к получателю D. В N1 задержка распределена равномерно с максимальным значением 10 с, а в N2 99 % пакетов имеют задержку менее 1 с, но максимальная задержка может быть сколь угодно большой. Подумайте, как в таких ситуациях можно использовать RTP, если вы планируете передавать аудио-/видеопоток в режиме реального времени.

23. Каков суммарный размер минимального MTU протокола TCP, включая накладные расходы TCP и IP, но не учитывая накладные расходы канального уровня?

24. Фрагментация и дефрагментация дейтаграмм выполняется протоколом IP и невидима для TCP. Означает ли это, что TCP не должен беспокоиться о данных, приходящих в неверном порядке?

25. RTP используется для передачи аудио с таким же качеством звука, как на компакт-диске, что соответствует паре 16-битных сэмплов на частоте 44 100 Гц, по одному сэмплу на каждый канал стерео. Сколько пакетов в секунду должен уметь передавать RTP?

26. Процессу хоста 1 был назначен порт p, а процессу хоста 2 — порт q. Могут ли несколько соединений одновременно существовать между этими портами?

27. На илл. 6.36 мы видели, что в дополнение к 32-разрядному полю Acknowledgement number в четвертом слове имеется бит ACK. Приносит ли он какую-либо пользу? Ответ поясните.

28. Имеется TCP-соединение, которое передает данные с такой высокой скоростью, что начинает повторно использовать порядковые номера в течение максимального времени жизни сегмента. Можно ли предотвратить это, увеличив размер сегмента? Объясните почему.

29. Опишите два способа, с помощью которых можно достичь состояния SYN RCVD (илл. 6.39).

30. Какой возможный недостаток несет в себе использование алгоритма Нейгла в сильно загруженной сети?

31. Вы играете в онлайн-игру по сети с высокой задержкой. Игра требует, чтобы вы быстро нажимали на объекты на экране. В то же время результаты ваших действий игра отображает в режиме слайд-шоу. Может ли определенный параметр протокола TCP привести к такому результату? Какой еще причиной (связанной с сетью) это может быть вызвано?

32. Рассмотрим эффект использования алгоритма медленного старта на линии с RTT равным 10 мс, без перегрузок. Размер окна получателя 24 Кбайт, а максимальный размер сегмента равен 2 Кбайт. Через какое время может быть передано полное окно?

33. Предположим, окно перегрузки протокола TCP установлено на 18 Кбайт, когда происходит тайм-аут. Каким будет размер окна, если четыре последующие передачи будут успешными? Предполагается, что максимальный размер равен 1 Кбайт.

34. Имеется соединение, использующее протокол TCP Reno. Исходный размер окна перегрузки — 1 Кбайт, исходный порог — 64 Кбайт. Допустим, аддитивное увеличение производится с шагом в 1 Кбайт. Каким будет размер окна перегрузки на восьмом круге передачи, если первым является нулевой круг?

35. Текущее значение RTT протокола TCP равно 30 мс, а следующие подтверждения приходят через 26, 32 и 24 мс. Каково будет новое значение RTT? Используйте α = 0,9.

36. TCP-устройство передает окна по 65 535 байт по гигабитному каналу, в котором время прохождения сигнала в один конец равно 10 мс. Какова максимальная достижимая пропускная способность канала? Чему равна эффективность использования линии?

37. Какова максимальная скорость, с которой хост может отправлять в линию TCP-пакеты, содержащие 1500 байт пользовательских данных, если максимальное время жизни пакета в сети равно 120 с? Требуется, чтобы порядковые номера не зацикливались. При расчете учитывайте накладные расходы на TCP, IP и Ethernet. Предполагается, что фреймы Ethernet могут передаваться непрерывно.

38. Чтобы устранить ограничения в IPv4, IETF приложила немало усилий и разработала IPv6, однако эта версия до сих пор внедряется неохотно. При этом для решения проблем, связанных с ограничениями в TCP, настолько серьезных усилий не требуется. Объясните почему.

39. Чему равна максимальная скорость передачи данных для каждого соединения, если максимальный размер сегмента равен 128 байт, максимальное время жизни сегмента равно 30 с, при этом используются 8-разрядные порядковые номера сегментов?

40. Имеется TCP-соединение, в котором максимальное время жизни сег­мента составляет 128 с. Предполагается, что параметр временной метки не используется. Что в таком случае можно сказать о максимальной скорости передачи данных?

41. Рассмотрим TCP-соединение между отправителем и получателем с такими параметрами: отправителю нужно передать получателю ровно 30 сегментов; порог медленного старта ssthresh — 4; исходный размер окна перегрузки cwnd (на нулевом круге передачи) — 1; RTT для пути между отправителем и получателем — 500 мс; максимальный размер сегмента — 1000 байт; пропускная способность узких мест — 64 Кбит/с. Представьте, что:

а) отправитель получает три дубликата подтверждения для 14-го сегмента и успешно повторяет его передачу на следующем круге;

б) в ходе первой попытки сегменты 25–30 теряются в одном сеансе передачи;

в) не происходит никаких других потерь.

Чему равна средняя пропускная способность данного соединения на этапе предотвращения перегрузки (в килобитах в секунду)? Чему равна средняя пропускная способность (в килобитах) всего соединения? Чему равен средний коэффициент потерь в рамках всей передачи? На каких кругах передачи заполняется буфер узкого места? На каком круге передачи в этом буфере находится больше всего пакетов? Чему равна максимальная дополнительная задержка, которая добавляется к сквозной задержке из-за такой буферизации (в миллисекундах)?

42. Предположим, вы измеряете время, необходимое для получения сегмента. Когда возникает прерывание, вы считываете показания системного таймера в миллисекундах. После полной обработки сегмента вы снова проверяете его показания. В результате миллиона измерений вы получаете значения 0 мс 270 000 раз и 1 мс 730 000 раз. Какой вывод можно сделать на основании этих результатов?

43. CPU выполняет 1000 MIPS. Данные могут копироваться 64-разрядными словами. На копирование каждого слова требуется 10 инструкций. Может ли такая система управлять гигабитной линией, если каждый приходящий пакет должен быть скопирован четыре раза? Для простоты предположим, что все инструкции, даже обращения к памяти, выполняются с максимальной скоростью — 1000 MIPS.

44. Для решения проблемы повторного использования старых порядковых номеров пакетов (в то время как старые пакеты еще существуют) можно использовать 64-разрядные порядковые номера. Однако теоретически оптоволоконный кабель может обладать пропускной способностью до 75 Тбит/с. Какое максимальное время жизни пакетов следует выбрать, чтобы гарантировать отсутствие в сетях будущего пакетов с одинаковыми номерами при скорости линий 75 Тбит/с и 64-разрядных порядковых номерах? Предполагается, что порядковый номер присваивается каждому байту, как в TCP.

45. Имеется компьютер, работающий со скоростью 1000 MIPS (1 инструкция за 1 нс). Он должен выполнить 50 инструкций для обработки заголовка пакетов, независимо от объема пользовательских данных, и по 10 инструкций на каждые 8 байт этих данных. Сколько пакетов в секунду может обработать компьютер, если размер пакетов составляет: а) 128 байт и б) 1024 байта? Чему в обоих случаях равна полезная пропускная способность в байтах в секунду?

46. В гигабитной линии протяженностью более 4000 км ограничивающим фактором является не пропускная способность, а время задержки. Рассмотрим MAN со средней удаленностью отправителя от получателя 20 км. При какой скорости передачи данных RTT из-за конечности скорости света будет равно времени передачи одного пакета размером 1 Кбайт?

47. Рассчитайте произведение пропускной способности на задержку в следующих сетях:

а) T1 (1,5 Мбит/с);

б) Ethernet (10 Мбит/с);

в) Т3 (45 Мбит/с);

г) STS-3 (155 Мбит/с).

Предполагается, что RTT = 100 мс. Не забудьте, что в TCP-заголовке на размер окна отводится 16-разрядное поле. Как этот факт отразится на результатах вычислений?

48. Чему равно произведение пропускной способности на задержку для канала геостационарной спутниковой связи с пропускной способностью 50 Мбит/с? Если все пакеты имеют размер 1500 байт (включая накладные расходы), какого размера должно быть окно в пакетах?

49. По каким причинам тест пропускной способности сети доступа, выполняемый на стороне клиента, может не отражать реальную скорость канала доступа?

50. Рассмотрите TCP-заголовок (илл. 6.36). Каждый отправляемый TCP-сегмент включает четыре неиспользуемых бита. Как скажется на производительности удаление этих битов со смещением всех последующих полей на четыре бита влево?

51. Файловый сервер, код которого представлен на илл. 6.6, далек от совершенства. Неплохо было бы внести в него некоторые улучшения. Проделайте следующие изменения:

а) пусть у клиента появится третий аргумент, указывающий байтовый диапазон;

б) добавьте флаг –w в программу клиента, который позволил бы записывать файл на сервер.

52. Почти все сетевые протоколы должны уметь работать с сообщениями. Если вы помните, протоколы передают их путем добавления/отделения заголовков. Некоторые протоколы могут разбивать сообщение на несколько фрагментов, а потом восстанавливать его. Попробуйте разработать библио­теку управления сообщениями с поддержкой создания нового сообщения, добавления/отделения заголовка, разбиения одного сообщения на два, объединения двух сообщений в одно и сохранения копии сообщения. Минимизируйте, насколько это возможно, копирование данных из одного буфера в другой. Важно, чтобы эти операции работали только с указателями, не затрагивая данные в сообщении.

53. Разработайте и реализуйте систему сетевого общения (чат) для нескольких групп пользователей. Координатор чата располагается по общеизвестному сетевому адресу, использует для связи с клиентами UDP, настраивает чат-серверы перед каждой сессией общения и поддерживает каталог чат-сессий. На каждую сессию выделяется один обслуживающий сервер. Для связи с клиентами сервер использует TCP. Клиентская программа позволяет пользователям начинать разговор, присоединяться к уже ведущейся дискуссии и покидать сессию. Разработайте и реализуйте код координатора, сервера и клиента.

7.1.1. История и общие сведения

Во времена сети ARPANET имена всех компьютеров сети и их IP-адреса сохранялись в файле hosts.txt. Каждую ночь все хосты получали этот файл с сайта, на котором он хранился. В сети, состоящей из нескольких сотен больших компьютеров, работающих в системе с разделением времени, такой подход оправдывал себя.

Однако еще задолго до того, как к сети были подключены миллионы компьютеров, всем стало ясно, что этот способ не может работать вечно. Во-первых, размер файла рано или поздно стал бы слишком большим. Что еще важнее, если не управлять именами хостов централизованно, неизбежно возникнут конфликты имен. В то же время в гигантской международной сети такое управление вряд ли возможно. Для решения всех этих проблем в 1983 году и была разработана DNS. С тех пор она является ключевой составляющей интернета.

DNS представляет собой сочетание иерархической схемы именования с распределенной базой данных, реализующей эту схему. В первую очередь DNS служит для преобразования имен хостов в IP-адреса, но у нее есть и ряд иных применений, которые мы подробно обсудим ниже. Система DNS является одним из наиболее активно развивающихся протоколов интернета. Она описана в документах RFC 1034, RFC 1035, RFC 2181 и доработана в ряде других RFC.

7.2.1. Архитектура и службы

В данном разделе мы рассмотрим возможности и организацию систем электронной почты; ее архитектура показана на илл. 7.9. Система e-mail состоит из двух подсистем: пользовательских агентов (user agents), позволяющих пользователям читать и отправлять письма, и агентов передачи сообщений (message transfer agents), пересылающих письма от отправителя к получателю; последних мы будем неформально называть почтовыми серверами (mail servers).

Илл. 7.9. Архитектура системы e-mail

Пользовательский агент — это программа, предоставляющая графический интерфейс (а иногда интерфейс, основанный на тексте или командах), через который пользователи взаимодействуют с системой электронной почты. Он включает средства написания новых сообщений и ответов, отображения входящих писем и их организации (путем распределения по папкам), поиска и удаления. Отправка новых сообщений в почтовую систему называется подачей почтового сообщения (mail submission).

Обработка сообщений может частично автоматизироваться с учетом пожеланий пользователя. Например, входящая почта может фильтроваться с целью выявления или снижения приоритета сообщений, похожих на спам. Некоторые пользовательские агенты предлагают такие продвинутые возможности, как автоматическая отправка ответных сообщений («Я в отпуске и смогу связаться с Вами лишь спустя некоторое время»). Пользовательский агент работает на том же компьютере, на котором пользователь читает свою почту. Это обычная программа, которую можно запускать время от времени.

Агенты передачи сообщений, как правило, являются системными процессами, которые работают в фоновом режиме на устройствах почтовых серверов и всегда должны быть доступны. Они автоматически перемещают почтовые сообщения в системе от отправителя к получателю с помощью протокола SMTP, который мы обсудим в разделе 7.2.4. На этом этапе передается сообщение.

SMTP был впервые описан в RFC 821. Позже в него вносились изменения вплоть до текущей редакции RFC 5321. Он отправляет сообщения по соединениям и высылает обратно отчеты о статусе доставки и любых возникших ошибках. Существует множество ситуаций, в которых подтверждение доставки имеет большую важность и даже может иметь юридическое значение («Ваша честь, моя электронная система не очень надежна, и я полагаю, что электронная повестка в суд где-то потерялась»).

Агенты передачи также применяют списки рассылки (mailing lists), чтобы доставлять идентичные копии сообщений всем получателям в списке. Среди других полезных функций можно назвать следующие: копия письма, скрытая копия, высокий приоритет письма, секретная (то есть зашифрованная) почта, доставка сообщения альтернативному получателю (если основной временно недоступен), а также возможность предоставить доступ к почте своему секретарю.

Соединение пользовательских агентов и агентов передачи сообщений обеспечивают почтовые ящики и стандартный формат почтовых сообщений. Почтовые ящики (mailboxes) хранят доставленную почту. Они обслуживаются почтовыми серверами. Пользовательские агенты просто предоставляют людям возможность увидеть содержимое их почтовых ящиков. Для этого агент отправляет команды почтовым серверам и получает возможность управлять почтовыми ящиками (проверять содержимое, удалять сообщения и т.д.). Получение почты — это ее доставка конечному пользователю на илл. 7.9 (шаг 3). При такой архитектуре один пользователь может использовать различные агенты на разных устройствах, чтобы получить доступ к одному и тому же почтовому ящику.

Почта пересылается между агентами передачи сообщений в стандартном формате. Первоначальный формат, RFC 822, был существенно переработан. Текущая версия носит название RFC 5322; в нее включена поддержка мультимедиа-контента и международный текст. Эта схема получила название «MIME». Однако многие по-прежнему называют электронную почту «RFC 822».

В основе данного формата сообщений лежит четкое разграничение между конвертом (envelope) и его наполнением. Конверт содержит в себе сообщение, а также всю информацию, необходимую для его доставки: адрес получателя, приоритет, уровень секретности и т.п. Все эти сведения отделены от самого сообщения. Агенты передачи сообщений используют конверт для маршрутизации, аналогично тому, как это делает обычная почтовая служба.

Сообщение внутри конверта состоит из двух отдельных частей: заголовка (header) и тела (body). В заголовке указана управляющая информация для пользовательских агентов. Тело письма целиком предназначается для человека-адресата. Примеры конвертов и сообщений показаны на илл. 7.10.

Мы изучим эту архитектуру более детально и рассмотрим шаги, необходимые для того, чтобы передать сообщение от одного пользователя другому. Наше путешествие начинается с пользовательского агента.

Илл. 7.10. Конверты и сообщения. (а) Обычное письмо. (б) Электронное письмо

7.3.1. Представление об архитектуре

С точки зрения пользователя, Всемирная паутина состоит из огромного количества контента в виде веб-страниц (Web pages). На каждой странице обычно есть ссылки на сотни других объектов, которые могут размещаться на веб-сервере в любой точке мира. Раньше такой объект мог быть еще одним текстом или картинкой, а в настоящее время, помимо этого, существует широкий спектр других объектов, таких как рекламные объявления и скрипты отслеживания. Веб-страница также может содержать ссылки (links) на другие страницы, на которые можно перейти, кликнув по такой ссылке. Этот процесс можно повторять бесконечно. Идея использования страниц, направляющих друг на друга, — так называемого гипертекста (hypertext) — была впервые предложена в 1945 году Ванневаром Бушем (Vannevar Bush), профессором электротехники Массачусетского технологического института. Это было задолго до возникновения интернета и даже до появления коммерческих компьютеров. (Хотя в некоторых университетах уже были созданы первые грубые прототипы, которые занимали целые помещения и потребляли уйму энергии (сравнимо с небольшим заводом), обладая при этом вычислительной мощностью в миллионы раз меньшей, чем современные умные часы.)

Для просмотра страниц обычно используется специальная программа, называемая браузером (browser). Примерами популярных браузеров могут служить Brave, Chrome, Edge, Firefox, Opera и Safari. Браузер предоставляет пользователю запрашиваемую страницу, интерпретирует ее контент и выводит должным образом отформатированные страницы на экран. Контент может представлять собой сочетание текста, изображений и команд форматирования и выглядеть как обычный документ, видео или программа с графическим интерфейсом.

Пример веб-страницы с большим количеством объектов приведен на илл. 7.19. Это страница сайта Федеральной комиссии по связи США. Она содержит некий текст и графические элементы (большая часть которых является нечитаемой из-за небольших размеров иллюстрации). Многие элементы содержат ссылки на другие страницы. Загружаемая браузером индексная страница (index page) обычно содержит указания для браузера относительно того, где находятся другие необходимые объекты, и того, каким образом и в какой части страницы их нужно отобразить.

Илл. 7.19. Загрузка и отображение веб-страницы требует ряда HTTP/HTTPS-запросов к нескольким серверам

Строки текста, иконки, изображения и прочие элементы, представляющие собой ссылки на другие страницы, называются гиперссылками (hyperlinks). Чтобы перейти по ссылке, пользователь стационарного компьютера или ноутбука должен навести указатель мыши на область страницы с гиперссылкой (что приведет к изменению формы указателя) и выполнить щелчок. Пользователю смартфона или планшета потребуется коснуться ссылки. Выполняя переход по ссылке, мы просто сообщаем браузеру, что он должен загрузить другую страницу. На заре Всемирной паутины ссылки выделялись подчеркиванием и другим цветом, чтобы их можно было отличить от остального текста. Сегодня создатели веб-страниц используют таблицы стилей (style sheets), позволяющие управлять внешним видом многих элементов страницы, включая гиперссылки, так что они могут выглядеть как того пожелает дизайнер сайта. Их внешний вид даже может меняться динамически, при наведении указателя мыши. Задача визуального выделения ссылок для обеспечения удобной навигации по сайту лежит на его создателях.

Заинтересовавшись определенной статьей, посетитель страницы может кликнуть по нужной области, чтобы браузер загрузил и отобразил новую страницу. При этом на первой странице могут быть ссылки на десятки других страниц. Каждая из них может содержать контент, размещенный на том же компьютере, что и первая страница, либо на компьютерах в другой части мира. Для пользователя это не заметно. Как правило, браузер загружает любые объекты, к которым привязаны ссылки, выбираемые пользователем, обеспечивая свободное перемещение между устройствами в ходе просмотра контента.

Браузер отображает веб-страницу на клиентском компьютере, отсылая запрос на один или несколько серверов, которые отвечают, передавая контент страницы. Запросно-ответный протокол для отображения страниц представляет собой простейший текстовый протокол, работающий поверх TCP (подобно SMTP), — HTTP. Его защищенная версия HTTPS является основным способом доставки контента в современном интернете. В качестве контента может выступать простой документ, который считывается с диска, или результат работы программы или запроса, отправленного в базу данных. Страница называется статичной (static page), если это документ, который всегда отображается одинаково. Если же она создается по требованию программы или сама содержит какую-либо программу, то это динамическая страница (dynamic page).

Контент динамической страницы может быть разным при каждом вызове. К примеру, главная страница интернет-магазина может различаться для каждого посетителя. Если клиент книжного магазина в прошлом покупал детективы, на главной странице он, скорее всего, увидит новые книги этого жанра, а человек, интересующийся рецептами, обнаружит на ней новые кулинарные книги. Мы вскоре расскажем, как веб-сайты следят за тем, что нравится покупателям. Если кратко, это обеспечивается с помощью файлов cookie.

Для загрузки веб-страницы браузер связывается с рядом серверов. Контент индексной страницы может быть загружен непосредственно из файлов, размещенных в домене fcc.gov. Дополнительный контент, например встроенное видео, может размещаться на отдельном сервере (по-прежнему в домене fcc.gov, но, возможно, на инфраструктуре, предназначенной для хранения такого контента). Индексная страница также может содержать ссылки на другие объекты, например невидимые пользователю скрипты отслеживания или размещенные на сторонних серверах рекламные объявления. Браузер загружает все эти объекты, скрипты и т.д. и собирает их для пользователя в виде единого представления страницы.

Представление страницы предполагает обработку, тип которой зависит от контента. Кроме отображения текста и графических элементов, может понадобиться воспроизвести видеофайл или запустить скрипт, в котором прописан отдельный пользовательский интерфейс, являющийся частью страницы. В нашем случае сервер fcc.gov предоставляет главную страницу, fonts.gstatic.com — дополнительные объекты (к примеру, шрифты), а google-analytics.com — невидимую пользователю аналитику посещаемости сайта. Использование трекеров и обес­печение конфиденциальности в интернете мы обсудим чуть позже в этой главе.