Архитектура вычислительных сетей

Обычно, записи в таблице ARP, созданные  динамически, остаются в кэше в течение 2-х минут. Если в течение этих двух минут произошла повторная  передача данных по этому адресу, то время хранения записи в кэше продлевается ещё на 2 минуты. Эта процедура  может повторяться до тех пор, пока запись в кэше просуществует  до 10 минут. После этого запись будет  удалена из кэша, и будет отправлен повторный запрос ARP. В действительности время хранения записей в ARP таблице и метод хранения выбирается програмно (например, операционной системой), и при должном желании его можно изменить.

ARP изначально был разработан  не только для IP протокола,  но в настоящее время в основном  используется для сопоставления  IP- и MAC-адресов.

ARP также можно использовать  для разрешения MAC-адресов для  различных адресов протоколов 3-го  уровня (Layer 3 protocols addresses). ARP был адаптирован также для разрешения других видов адресов 2-го уровня (Layer 2 addresses); например, ATMARP используется для разрешения ATM NSAP адресов в Classical IP over ATM протоколе.

Принцип работы

1. Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес^[1], формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.
2. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным.
3. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес.

Преобразование адресов выполняется  путем поиска в таблице. Эта таблица, называемая ARP-таблицей, хранится в  памяти и содержит строки для каждого  узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом. Ниже приведен пример упрощенной ARP-таблицы.

Inverse Address Resolution Protocol, Inverse ARP или InARP — протокол для получения адресов сетевого уровня (например IP адресов) других рабочих станций по их адресам канального уровня (например, DLCI в Frame Relay сетях). В основном используется во Frame Relay и ATM сетях

ARP переводит адреса сетевого  уровня в адреса канального  уровня, в то же время InARP можно рассматривать как его инверсию. InARP реализовано как расширение ARP. Форматы пакетов этих протоколов одни и те же, различаются лишь коды операций и заполняемые поля.

Reverse ARP (RARP), как и InARP, переводит адреса канального уровня в адреса сетевого уровня. Но RARP используется для получения логических адресов самих станций отправителей, в то время как в InARP-протоколе отправитель знает свои адреса и запрашивает логический адрес другой станции. От RARP отказались в пользу BOOTP, который был в свою очередь заменён DHCP.

Сравнение

1-е поколение электронных управляющих  систем 
Централизованные системы. Один управляющий узел обрабатывает сигналы от всех датчиков и выдает управляющие воздействия на все задействованные приводы. Наиболее ярким примером является завод «Форд» в Детройте, где всем сборочным конвейером управляла одна ЭВМ IBM-360, занимавшая несколько комнат. Во времена таких «электронных монстров» не существовало никакого различия между протоколами передачи данных из области IT и области АСУТП. 
2-е поколение электронных управляющих систем 
Иерархические системы. Согласно этой идеологии, контроллеры делятся на контроллеры нижнего и верхнего уровня. Контроллеры нижнего уровня производят первичную обработку измеряемого сигнала, переводят измеряемые параметры в цифровой вид (применительно к датчикам) и, наоборот, вырабатывают управляющие воздействия на приводы (применительно к приводам). Контроллеры нижнего уровня всю информацию передают (и принимают) в цифровом виде контроллерам второго уровня, которые уже умеют «думать», т.е. реализовывать алгоритм управления технологическим процессом. Здесь мы имеем уже жизненно необходимый цифровой протокол передачи нижнего уровня, обеспечивающий обмен между контроллером верхнего уровня и контроллерами нижнего уровня, подчиняющимися ему. Для сбора данных (уже обработанных и обобщенных) с контроллеров верхнего уровня применен протокол верхнего уровня, обслуживающий обмен между рабочей станцией АРМ диспетчера АСУТП и контроллерами верхнего уровня. В качестве протоколов нижнего и верхнего уровня прекрасно подходили протоколы с дискредитационным доступом к среде передачи (подразумевает механизм арбитража: кто принимает, а кто передает). Чаще всего использовался RS-485 в различных модификациях. 
3-е поколение электронных управляющих систем 
Распределенные одноуровневые системы. Согласно этой идеологии, каждый датчик и привод снабжены микроконтроллером, способны обрабатывать сигнал, реализовывать алгоритм управления и общаться по сети передачи данных не только с рабочей станцией АРМ АСУТП, но и между собой, в целях реализации некого распределенного алгоритма управления. Другими словами, 3-е поколение систем автоматики полностью соответствует девизу Sun Microsystems «Сеть – это компьютер», возникнувшему в эпоху становления Интернета. Именно особенности функционирования распределенных систем автоматики формируют список требований к протоколам передачи данных для современных управляющих сетей. 
Не будем здесь еще раз приводить выдержки из аналитической статьи Прадипа Мадаха «Обзор современных технологий автоматизации», датированной 1989 годом. Дадим только перечень требований к протоколу: 
1. Открытость и наличие описания, разбитого на главы по уровням семиуровневой модели OSI/ISO. 
2. Объем адресного пространства не меньше 12000 адресов. 
3. Одноуровневый доступ к среде передачи, логическая сегментация. 
4. Поддержка нескольких сред передачи (в каждой области свои предпочтения: витая пара для BMS, RF для старых зданий и т.д.). 
5. Поддержка пособытийного опроса. 
6. Высокая помехоустойчивость (даже за счет относительного снижения скорости). 
7. Поддержка квитирования (одноадресного, многоадресного, циркулярного, без квитирования).  
8. Поддержка телеграмм переменной длины. 
9. Возможность горячего подключения контроллера к сети. 
10. Высокая прогнозируемость сетевого обмена. 
11. Наличие встроенных механизмов сетевой диагностики. 
12. Возможность удаленного программирования контроллеров. 
13. Наличие достаточно удобного инструментального программного обеспечения для настройки контроллеров, диагностики и конфигурирования сети. 
14. Выделенный прикладной процессор.

Теперь посмотрим, какие  протоколы реально лидируют по использованию  в системах автоматики на сегодня: 
1. TCP/IP в реализации физического уровня Ethernet, FAST Ethernet, Industrial Ethernet, Wi-Fi. 
2. Lonworks.  
3. Modbus. 
4. ProfiBus. 
5. KNX (EIB). 
6. RS-485 в различных реализациях (в том числе C-Bus). 
7. BACNET (в реализации поверх RS-485, TCP/IP или LonTalk TP/FT-10). 
По используемым физическим средам передачи данных: 
1. Витая пара 6-й категории (реализация поверх Ethernet). 
2. Витая пара J-Y-(St)-Y (большинство классических протоколов). 
3. Радиочастота (Wi-Fi 802.11 b/g) (реализация поверх Ethernet). 
4. Радиочастота (GSM/GPRS). 
Таким образом, можно констатировать, что Ethernet не только не сдал своих позиций из-за слабой надежности и никудышной помехозащищенности, но наоборот, получил все большее распространение благодаря появлению в последнее время Wi-Fi. По большей части использование Ethernet обусловлено активным использованием сети Интернет при условии имплементации используемого протокола в TCP/IP. Даже такой апологет распределенной сети, как компания Echelon, выпустил прибор I-lon600 и активно пропагандирует построение вертикального сегмента сети на Ethernet с использованием трансмедийных маршрутизаторов Lonworks, у которых одна сторона Lon TP/FT-10, а другая – TCP/IP Ethernet.

Анализ рынка

Сегодня конкуренция на операторском рынке очень жесткая, количество операторов значительно выросло  за последние годы, многие глобальные сети начали проникать в регионы, борьба идет за каждого абонента, и  в столице это в большей  степени заметно. Понятно, что обрушивать тарифы на связь до бесконечности  просто невозможно, тем более что  крупные клиенты (промышленные предприятия  или банки) требуют также высокого уровня QoS (Quality Of Service). Таким образом телекоммуникационные операторы приходят к необходимости предоставлять максимальное количество сервисов и гарантировать превосходное качество. При этом, безусловно, никто из них не в состоянии сменить все имеющиеся каналы доступа, так как последние в качестве основных фондов имеют большую стоимость, и каждый оператор заинтересован в их полной утилизации.

Если рассмотреть оператора  связи, который начал свою деятельность до того, как все начали восхвалять протокол IP и пакетную передачу данных (а таких сейчас большинство), у  него наверняка имеется оптоволоконная сеть. Действительно, оптика сегодня  растянута везде. При этом многие междугородние магистрали также  выполнены на оптоволокне. Что же, каналы традиционно создавались  на основе SDH разного уровня, и помимо предоставления самого канала в аренду, основным применением оптики было создание опорной сети для передачи голосового трафика как по городу (пример - сеть МГТС), так и в регионы ("Ростелеком"). Дело в том, что SDH очень удобен для  организации надежных телефонных каналов, так как в оборудовании уже  реализована технология восстановления сервиса с задержкой порядка 50 мс, чего более чем достаточно для высокого уровня сервиса.

Рисунок 1. Сеть SDH удобна для организации телефонных каналов

Однако как выяснилось, оптика не всегда является панацеей. Хотя бы потому, что масштабирование SDH-магистралей  оказалось сложной задачей из-за высокой стоимости оборудования, причем в пересчете на порт стоимость  тоже оказывается очень высокой, особенно при использовании интерфейсов  вроде STM-16 (2,5 Гбит/с) и более. Кроме  этого, сегодня налицо рост потребности  в передаче IP-трафика, а не полной аренды канала, что ведет к дополнительным затратам на приобретение IP-коммутаторов. Но сложность работы с оптикой  на этом не заканчивается - с ростом интенсивности изменения вида и  топологии трафика, например распределения  звонков в сети МГТС в течение  дня, управляемость сетей SDH значительно  снижается - необходимо каким-либо образом  реализовывать динамический анализ и перераспределение каналов.

Другой лагерь представлен  операторами, которые в середине-конце 1990-х годов для организации  мультисервисных сетей активно развивали каналы АТМ. Фактически единственным сервисом, который операторы предлагают на базе сети АTM, сегодня является эмуляция выделенного канала (Circuit Emulation). Следует отметить, что перепродажа портов ATM с обеспечением различного качества обслуживания не получила развития в России и количество таких портов можно пересчитать по пальцам.

Основная проблема, с которой  сейчас сталкиваются операторы, имеющие  сети на базе АТМ, состоит в нецелесообразности дальнейшего их развития в силу высокой стоимости и отсутствия высокоскоростных портов на оборудовании АТМ, что также сказывается на возможности утилизации этих каналов полезным трафиком.

Пожалуй, единственная технология, которая в настоящее время  не накладывает ограничений на пропускную способность, это оптоволокно, использующее спектральное уплотнение. Высокая скорость передачи данных достигается посредством  спектрального уплотнения в пассивном  режиме (CWDM) или в активном (DWDM). Стоимость  оборудования для реализации оптоволоконной инфраструктуры существенно снизилась  и продолжает снижаться.

Рисунок 2. Технология DWDM не имеет ограничений по пропускной способности

Кроме того сегодня существует технология Ethernet, которая активно развивается в качестве транспортной среды для передачи разнородного трафика, в первую очередь IP-трафика. Главное преимущество Ethernet - полная поддержка базовой спецификации всеми поставщиками сетевого оборудования. То есть оператор может использовать коммутаторы разных производителей и быть уверен в том, что сеть будет работать. Однако со временем становятся видны и недостатки сетей Ethernet. Подключая каждого очередного абонента, выделяя при этом новую виртуальную сеть, оператор приближается к пределу насыщения, и с определенного момента коммутаторы перестают успевать обмениваться необходимой управляющей информацией, просто потому, что протоколы, созданные для Ethernet-коммутаторов, не рассчитаны на создание магистральных сетей. Решить проблему можно либо путем использования частных улучшений разных поставщиков для управляемости сети, либо посредством изменения структуры сети (разделить ее на более мелкие домены). Первое решение кажется привлекательным, но вызывает привязку к одному поставщику, что, конечно, неэффективно. Второе решение выгодно, но накладывает некоторые ограничения на предоставление сервисов. Если использовать Ethernet-транспорт в "чистом виде", ни о каких QoS не может быть и речи: при обрыве кабеля нельзя предугадать время восстановления сервиса по резервному каналу, и в некоторых сетях время восстановления может составлять десятки секунд, так как штатные протоколы для коммутации пересылают массу дополнительной информации, совершенно ненужной для обнаружения обрыва. Таким образом, сети Ethernet прекрасно подходят для передачи данных, но требуют значительных модификаций, чтобы работать с голосом, и не могут использоваться для построения крупных магистральных сетей.

С одной стороны, в мире и в России эксплуатируется большое  количество ATM- и SDH-сетей, дальнейшее расширение которых во многих случаях экономически неоправданно. С другой, сервисы  на основе протокола IP растут опережающими темпами и требуют все большей  сетевой и канальной емкости. Однако учитывая потребности эры IP, "революционно" отказываться от всей существующей инфраструктуры совершенно не рационально. Поэтому сегодня  можно с большой уверенностью говорить о существовании нескольких разнородных сетей, проблеме их управляемости  и создания единой среды предоставления услуг заказчикам. Операторы имеют  сети SDH/ATM для передачи голосового трафика, ATM - для организации сервисов передачи данных, Ethernet - для предоставления интернет-трафика в городских сетях. Многие операторы и крупные компании заказывают каналы SDH и Frame Relay между городами в трех вариантах: для Интернета, для телефонии, для передачи специальных данных - все по отдельности. При интеграции нельзя забывать, что важна совместимость технологий передачи данных даже не одного поколения, а транспортных протоколов, относящихся к различным поколениям, что отличает их как по пропускной способности, так и по возможностям организации сервисов.

Однако несмотря на кажущуюся разнородность транспортных протоколов, уже в конце 1990-х годов стало ясно, что на базе протокола IP можно строить глобальные отказоустойчивые сети, работающие по принципу пакетной коммутации данных. IP действительно оказался достойным решением, так как поверх него сегодня поддерживается большинство протоколов, а сама технология пакетной передачи данных реализована в оборудовании многих производителей. Это позволяет операторам связи значительно снижать затраты, так как для мультивендорной сети можно использовать в качестве клиентского устройства продукт любого производителя, равно как и масштабировать операторские сети решениями разных вендоров, лучшими по соотношению цена/качество. При этом IP-сети могут работать поверх любых опорных сетей: ATM, SDH, Frame Relay и прочих.

Говоря об управляемости SDH следует отметить такие разработки, как, например, Cisco DPT. DPT может быть развернут поверх SDH либо DWDM. Эта технология позволяет организовать ту же скорость восстановления - порядка 50 мс, так как использует оптическое кольцо, подобное SDH, в котором уже может работать больше устройств, эффективнее взаимодействующих друг с другом. Можно сказать, что DPT стала шагом Cisco Systems к отказу от трехуровневой архитектуры каналов, когда речь идет об оптимизации волоконной оптики. При этом ATM, увы, как был фактически только транспортом для передачи IP-трафика, так и остается им. Это же справедливо и по отношению к SDH, используемом в чистом виде.