Поняття архітектури мережі

Глава 4

АРХІТЕКТУРА

ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ МЕРЕЖ

Список скорочень

ВОЛЗ	- Волоконно-оптична лінія зв'язку
КЛС	- Кабельна лінія зв'язку
РРЛ	- Радіорелейна лінія
СУ	- Система управління
LAN	- Локальна мережа
MAN	- Місцева мережа
WAN	- Територіальна мережа

ПОНЯТТЯ АРХІТЕКТУРИ МЕРЕЖІ

З різних позицій і на різних рівнях можна розглядати побудова, управління та функціонування телекомунікаційної мережі. Для кожного рівня (користувач, провайдер, оператор тощо) мережу надається в аспекті його запитання і взаємодії з мережею. Щоб взаємодіяти з мережею на рівні користувача, достатньо знати склад служб мережі, що забезпечують надання різних комунікаційних послуг. Для того щоб зрозуміти, які роботи можна виконати в мережі і як це зробити, користувачеві зовсім не потрібне знання пристрою мережі та принципів її роботи, а всі необхідні йому ресурси інформаційної мережі як би знаходяться в його терміналі (рис. 4.1).

Провайдер, організовуючи свою діяльність з надання послуг користувачам, повинен уявляти собі логіку роботи мережі як мінімум на рівні її функціональної структури і складу ресурсів. Знання правил організації взаємодії різних елементів мережі, що утворюють платформи надання послуг, забезпечує йому гнучкість взаємодії з мережевими ресурсами. Організація експлуатації мережі, інсталяція мережевого обладнання входять у функції оператора мережі. Для грамотного виконання своїх функцій оператору мережі необхідно чітко уявляти собі її фізичну структуру, конкретний склад устаткування, принцип його роботи і спільної експлуатації, характеристики режимів роботи мережі, при яких забезпечується необхідну якість обслуговування користувачів. Для того щоб ефективно управляти господарською діяльністю мережі, планувати її розвиток, адміністрація мережі повинна аналізувати організаційну структуру мережі, структуру мережевих служб, управління, обслуговування та ремонту і т. п.

Розробник мережі повинен представляти мережу у всіх перерахованих вище аспектах. Іншими словами, йому необхідно знання архітектури мережі.

Архітектурою називається системний опис мережі, що відображає все розмаїття елементів, зв'язків між ними та правил їх взаємодії. Під системним описом розуміють багаторівневий опис об'єкта у вигляді моделей, кожна з яких відображає об'єкт в певному аспекті розгляду.

Модель - це відображення об'єкта, що дозволяє досліджувати його основні елементи, не відволікаючись на несуттєві деталі.

Модельний опис мережі як складної системи (опис архітектури) можна здійснити за допомогою поділу її на безліч структур, кожна з яких відображає взаємозв'язок певної групи елементів, виділених на деякому рівні розгляду мережі. Таким чином, архітектура є ємним поняттям і відображає різні структури мережі в їх взаємозв'язку:

-Конфігурації ліній, що поєднують її пункти (топології);

-Організаційну структуру, яка відображатиме пристрій мережі;

-Функціональну структуру, яка пояснює логіку роботи мережі;

-Програмну структуру, що характеризує склад надзвичайно складного і багатоцільового програмного забезпечення мережі;

-Протокольну модель мережі, що описує правила встановлення зв'язку і забезпечення інформаційного обміну;

-Фізичну структуру, що дозволяє оцінити фізичні ресурси мережі й типи используемо ™ устаткування.

Таке всебічний опис мережі слід проводити з позицій системного підходу, заснованого! на методологічних принципах системологии (науки, що вивчає великі, складні системи). Сети зв'язку наділена всіма ознаками складних систем і підпорядковується властивим їм закономірностям Перерахуємо деякі з них.

Ієрархічність - розташування частин та елементів цілого в порядку від вищого до нижчого. Сле-1 дмухаючи цієї закономірності, можна розділити мережу на окремі підмережі (сегменти) нижчого порядку.

Комунікативність - закономірність, яка вказує на безліч зв'язків (комунікацій) системи: зовнішніх - з середовищем і внутрішніх - з підсистемами та елементами. Це означає, що лю-| буя мережу зв'язку можна розглядати як підмережа (підсистему) або елемент системи вищого! порядку (наприклад, як елемент глобальної інформаційної інфраструктури), і в той же час вона може розглядатися як самостійна система, що включає підсистеми (сегменти) більш низько ™ порядку.

Емерджентність - закономірність, що полягає у прояві системою інтегрованого якості - цілісності, не властивою окремим її елементам. Так, наприклад, в мережі зв'язку можна виділити такі функціонально важливі і відносно незалежні підсистеми, як транспортна система, система розподілу інформації, система керування мережею. Жодну з перерахованих систем не можна ототожнити з мережею зв'язку в цілому, і лише їх взаємозв'язок відображає це поняття. З іншого боку, при розгляді та вивченні структури окремих підсистем поглиблюється уявлення про систему в різних аспектах. Поняття архітектури характеризує цілісне уявлення про устрій! мережі і, отже, відображає її емерджентність.

Слідуючи вищевказаним закономірностям, будь-яку з підсистем складної системи можна розглядати як самостійну систему з властивою їй архітектурою, що відбиває її емерджентні властивістю Так, в залежності від рівня розгляду в ієрархічному представленні систем, можна говорити про] архітектурі мережі в цілому, архітектурі термінального комплексу, архітектурі комутаційної системи] обчислювальної машини і навіть окремої інтегральної схеми.

Бачення архітектури мережі багато в чому визначається професійною орієнтацією дослідника] Наприклад, оператор мережі, приступаючи до аналізу архітектури мережі, насамперед бачить і розуміє її фізичну структуру. Проектувальник, аналізуючи архітектуру мережі, починає з дослідження топологія та функціональної структури. Тому нерідко поняття архітектури вживають у вужчому смислг маючи на увазі, наприклад, топологію мережі, протокольну модель, програмне забезпечення і т. п.

Для опису архітектури мережі можуть бути використані різні способи модельного уявлення. Так, наприклад, для відображення топології мережі, взаємозв'язку підсистем та елементів можуть використовуватися графові моделі. Правила взаємодії елементів різних рівнів представлений і деталізації звичайно представляються так званими протокольними моделями багаторівневого опису мережі. Далі розглядаються деякі узагальнені типи структур, дозволяють усвідомити загальні архітектурні принципи побудови мереж.

ТОПОЛОГІЯ МЕРЕЖІ

Структура інформаційної мережі - це сукупність пунктів і з'єднують їх ліній. Взаємно ^ розташування пунктів та ліній характеризує зв'язність мережі і здатність до забезпечення доставки! інформації в різні пункти. Структура, яка відображає взаємозв'язок пунктів (конфігурацію лінііц називається топологією. Розрізняють фізичну і логічну топологію. Фізична топологія відображаємо розміщення мережевих пунктів і конфігурацію ліній зв'язку. Логічна топологія дає уявлення про шляхи, по якому передаються потоки інформації між пунктами.

При дослідженні топологічних особливостей мережі її представляють у вигляді графа:

G = {A, B},

де А = {a _1,... a _n} - сукупність точок графа, тобто вузлів мережі; B = {b _ij} - безліч ребер графа між вершинами а _i, і a _j, які відповідають лініям або пучкам каналів між відповідаю-! ські вузлами.

Точки графа називаються вершинами, а лінії, якщо не враховувати їх спрямованість, - ребрами. Граф є топологічної моделлю структури мережі. Вибір топології мережі є першим завданням, розв'язуваної при її побудові, і визначається такими вимогами, як економічність і надійність зв'язку.

Завдання вибору топології мережі вирішується порівняно нескладно, якщо відомий набір стандартних топологій, з яких вона може бути складена. Розглянемо ряд базових топологій та їх особливості.

Топологія «точка - точка» є найбільш простим прикладом базової топології і являє собою мережу, що зв'язує фізично і логічно два пункти. Надійність в такій мережі може бути підвищена введенням резервної зв'язку, що забезпечує стовідсоткове резервування, званої захистом типу «1 + 1».

При виході з ладу основний зв'язку мережа автоматично перекладається на резервну. Незважаючи на всю простоту, саме ця базова топологія найбільш широко використовується при передачі великих потоків інформації по високошвидкісних магістральних каналів, наприклад, по трансокеанського підводним кабелям, обслуговуючим телефонну навантаження. Вона ж використовується як складова частина радіально-кільцевої топології (в якості радіусів). Топологія «точка - точка» з резервуванням типу «1 + 1» може розглядатися як вироджений варіант топології «кільце».

Деревоподібна топологія може мати різні варіанти (рис. 4.2). Особливістю мережі, що має деревоподібну топологію будь-якого з перерахованих варіантів, є те, що зв'язність п пунктів на рівні фізичної топології забезпечується числом ребер R = n-1. На логічному рівні допустима організація топологій «точка - точка» і «точка - багато точок», коли можна організувати зв'язок відразу до декількох (або до всіх інших) пунктам мережі. Кількість зв'язують шляхів передачі інформації між парою пунктів у такому сегменті завжди дорівнює 1. З точки зору надійності, це досить низький показник.

Підвищення надійності в таких мережах досягається введенням резервних зв'язків (наприклад, захисту «1 + 1»). Деревоподібна топологія знаходить застосування в локальних мережах і мережах абонентського доступу.

Топологія «кільце» (рис. 4.3) широко використовується в локальних мережах міжвузлових з'єднань, опорних високошвидкісних мережах, а також у мережах абонентського доступу, організованих на базі оптичного кабелю.

Число ребер графа, що відображає фізичну топологію, дорівнює числу вершин: R = n. На логічному рівні допустимі топології «точка - точка», «точка - багато точок».

Між кожною парою пунктів можуть бути організовані h = 2 незалежних зв'язують шляху (прямий і альтернативний), що забезпечує підвищення надійності зв'язку в такому сегменті, особливо при використанні резервування типу «1 + 1», так званого «подвійного кільця» (рис. 4.4). Подвійне кільце утворюється фізичними з'єднаннями між парами пунктів, при яких інформаційний потік прямує у двох протилежних напрямках, причому один напрямок використовується як основне, друге - як резервне.

Повнозв'язна топологія (рис. 4.5) забезпечує фізичне і логічне з'єднання пунктів за принципом «кожен з кожним». Граф, що включає п вершин, містить R = п * (п-1) / 2 ребер. Кількість незалежних зв'язують шляхів між кожною парою пунктів у такому сегменті мережі h = n - 1. Повнозв'язна топологія володіє максимальною надійністю зв'язку завдяки великому числу обхідних шляхів. Така топологія характерна для глобальних розподілених мереж при формуванні магістральної мережі. Максимальна надійність зв'язку в сегменті досягається при використанні на обхідних напрямках альтернативних середовищ поширення сигналів (наприклад, волоконно-оптичний ка і радіорелейний лінія).

Чарункова (сетеобразной) топологія. Кожен пункт мережі має безпосередній зв'язок з Неболей числом пунктів, найближчих за відстанню (рис. 4.6).

 

При невеликому числі вершин число ребер R = r * n / 2, де r - число ребер, що примикають до вершини. Ніздрюваті сегменти мають високу надійність зв'язку при найменшому числі ребер порівнянні з повнозв'язну сегментом. Використання полносвязной і комірчастої топологій доцільно лише в сегментах з високою концентрацією трафіку, так як їх реалізація пов'язана зі значними витратами.