Wide Area Networks

Τα WAN (Wide Area Networks) συνδέουν υπολογιστές ή τοπικά δίκτυα τα οποία βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους. Ένα WAN μπορεί να καλύψει αποστάσεις αρκετών χιλιάδων χιλιομέτρων. Όπως και στην περίπτωση των LAN, οι τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την υλοποίηση WAN είναι πολλές. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε συνοπτικά τα χαρακτηριστικά των σημαντικότερων από αυτές και θα επιχειρήσουμε μια αξιολόγηση της καταλληλότητας τους για εφαρμογές πολυμέσων.

Packet WANs

X.25 WAN

Η τεχνολογία Χ.25 εφευρέθηκε στις αρχές του 1970 και είναι προσαρμοσμένη στις απαιτήσεις εκείνης της εποχής. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της είναι:

·       Όπως και τα περισσότερα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μεταγωγής αυτής της εποχής, υποστηρίζει αποκλειστικά επικοινωνία με σύνδεση.

·       Επειδή οι εφαρμογές για τις οποίες προορίζεται απαιτούν σύντομες ανταλλαγές μικρών όγκων πληροφορίας, η κοστολόγηση γίνεται σε αναλογία με το χρόνο σύνδεσης και τον όγκο των δεδομένων που διακινήθηκαν.

·       Από τεχνολογικής πλευράς, το Χ.25 έπρεπε να αντιμετωπίσει τους υψηλούς ρυθμούς λαθών των μέσων μετάδοσης εκείνης της εποχής. Γι' αυτό το σκοπό, ενσωματώνει ισχυρούς μηχανισμούς ανίχνευσης και διόρθωσης λαθών, οι οποίοι όμως καθυστερούν την επικοινωνία. Οι πιο γρήγορες γραμμές στην Ευρώπη λειτουργούσαν στα 72Kbps.

·       Ένα μάλλον ασυνήθιστο χαρακτηριστικό του Χ.25 είναι ο έλεγχος της ροής που επιβάλλεται από το δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι το Χ.25 μπορεί να ρυθμίζει την ταχύτητα ροής των πακέτων σε ένα κύκλωμα, χωρίς να μεσολαβήσουν οι χρήστες. Στόχος αυτού του μηχανισμού είναι οι επικοινωνία συστημάτων διαφορετικής ταχύτητας. Και αυτός ο μηχανισμός επιβαρύνει σημαντικά τη λειτουργία του δικτύου

·       Αν και πρόκειται για τεχνολογία με σύνδεση, το X.25 δεν προσφέρει ούτε ντετερμινιστική ούτε στατιστική εγγύηση της ταχύτητας μεταφοράς.

Κατά συνέπεια το X.25 δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί παρά μόνο για πολύ χαμηλών απαιτήσεων ασύγχρονες εφαρμογές πολυμέσων. Η τεχνολογία αυτή πάσχει από τις αρχικές σχεδιαστικές επιλογές που έγιναν και έχει σταματήσει η εξέλιξη της.

Internet Protocol WAN

Ο όρος Internet Protocol καλύπτει μια οικογένεια τηλεπικοινωνιακών πρωτοκόλλων που αναπτύχθηκαν από τον Internet Society, έναν μη κερδοσκοπικό οργανισμό. Αυτά τα πρότυπα στηρίχθηκαν σε ένα πρόγραμμα του US Department of Defense, που ξεκίνησε το 1960 με το όνομα ARPAnet. Τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα αυτής της οικογένειας είναι τα: Transport Control Protocol (TCP) και το Internet Protocol (IP).

Υπάρχουν δύο τρόποι να χρησιμοποιηθεί το ΙΡ:

1.    Ως γνήσιος μηχανισμός αποθήκευσης και προώθησης πακέτων που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία δικτύων κατανεμημένης τοπολογίας. Ο κόμβοι αυτών των δικτύων ονομάζονται δρομολογητές (routers) και συνδέονται μεταξύ τους με διαφόρων ειδών συνδέσμων (links).

2.    Ως ένας μηχανισμός δόμησης της πληροφορίας σε πακέτα, για την ανταλλαγή δεδομένων σε ένα οποιοδήποτε δίκτυο. Για παράδειγμα, η χρήση του ΙΡ πάνω σε LAN είναι πολύ συνηθισμένη.


Σχήμα 7-19 : Χρήση του IP σε τοπικά δίκτυα

Το IP δεν σχεδιάστηκε από εταιρείες τηλεπικοινωνιών αλλά από τη κοινότητα των ερευνητών. Κατά συνέπεια, οι βασικές του επιδιώξεις διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με αντίστοιχα εμπορικά δίκτυα:

·       Η αξιοπιστία του δικτύου έρχεται σε δεύτερη μοίρα σε σχέση με την αποδοτικότητα. Επιπλέον, το πρωτόκολλο πρέπει να είναι οικονομικό σε υπολογιστικούς πόρους, προσαρμόσιμο σε διαφορετικές υπολογιστικές πλατφόρμες και ανεξάρτητο από το φυσικό μέσο μετάδοσης.

·       Είναι θέμα των κόμβων (hosts) η ανάνηψη από τα λάθη που μπορεί να προκύψουν κατά την επικοινωνία.

·       Το δίκτυο δεν είναι σχεδιασμένο να εξασφαλίζει καμία παράμετρο της ποιότητας της επικοινωνίας.

·       Δεν απαιτείται κανένας μηχανισμός χρέωσης

Ας δούμε τώρα πια είναι τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του IP στην πράξη:

·       Το ΙΡ προσφέρει επικοινωνία χωρίς σύνδεση. Το δίκτυο απλώς αναγνωρίζει και μεταφέρει πακέτα πληροφορίας, τα οποία ονομάζονται datagrams.

·       Το δίκτυο παρέχει κάθε στιγμή την καλύτερη υπηρεσία που μπορεί (best effort protocol), χωρίς να παρέχεται καμία εγγύηση για την ποιότητα αυτής.

·       Σε περίπτωση υπερφόρτωσης είναι δυνατόν να χαθούν πακέτα ή να καθυστερήσει υπερβολικά η μετάδοση τους. Δηλαδή η μεταβλητότητα της καθυστέρησης μεταφοράς είναι μεγάλη.

·       Υπάρχουν διάφορα πρωτόκολλα δρομολόγησης στα δίκτυα ΙΡ. Κάποια από αυτά είναι στατικά, με την έννοια ότι πακέτα του ίδιου προορισμού ακολουθούν πάντοτε τον ίδιο δρόμο. Η διαδρομή αλλάζει μόνο όταν αυτό είναι απαραίτητο (π.χ. βλάβη). Σε άλλες περιπτώσεις, το πρωτόκολλο κατανέμει την κίνηση έτσι ώστε το φορτίο να ισοκατανέμεται και να αποφεύγονται τα μποτιλιαρίσματα.

·       Οι δρομολογητές μπορούν να χειριστούν γραμμές ταχυτήτων από 100Mbps έως 300bps. Ένας δρομολογητής IP μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως gateway μεταξύ του IP WAN και ενός οποιουδήποτε LAN πάνω στο οποίο λειτουργεί το IP. Η μακρινή σύνδεση (long-haul connection) μπορεί να γίνει με χρήση οποιασδήποτε τεχνολογίας: IP Point-to-Point Protocol (PPP), X.25, το τηλεφωνικό δίκτυο, N-ISDN, ATM...

·       Το IP προβλέπει μηχανισμούς multicasting, αλλά πολλοί δρομολογητές δεν τους υλοποιούν.

Το IP δεν προσφέρει ισοχρονισμό ούτε κάποιου είδους εγγύηση για την ποιότητα της σύνδεσης. Άρα, η μετάδοση συνεχούς πληροφορίας σε πραγματικό χρόνο, είναι δύσκολη. Παρ' όλα αυτά υπάρχουν τεχνικές που απευθύνονται στους κόμβους και προσπαθούν να αντιμετωπίσουν την κατάσταση. Πριν ξεκινήσει μια εφαρμογή, γίνεται μια εκτίμηση της κατάστασης του δικτύου και αν βρεθεί ότι οι συνδέσεις δεν είναι ικανοποιητικές, οι εφαρμογή τερματίζει. Μια άλλη τεχνική είναι η χρησιμοποίηση buffers.

Δύο είναι τα βασικά πλεονεκτήματα του ΙΡ: ο μεγάλος βαθμός χρησιμοποίησης των γραμμών (μέχρι και 95%) και η δυνατότητα υποστήριξης όλων των ταχυτήτων. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά, σε συνδυασμό με τη μεγάλη δημοτικότητα και ευελιξία και τους μηχανισμούς multicasting που παρέχει, το καθιστούν σε μια σημαντική πλατφόρμα ανάπτυξης εφαρμογών πολυμέσων, με κάποιους συμβιβασμούς στην ποιότητα.

Multicasting σε δίκτυα IP

Παρ’ όλα  τα προβλήματα εξασφάλισης της ποιότητας, που παρουσιάζουν τα δίκτυα IP, η υποστήριξη του multicasting αποτελεί ένα βασικό πλεονέκτημα τους, που αξίζει να περιγράψουμε περισσότερο. Οι βασικοί μηχανισμοί που εφαρμόζονται για την επίτευξη του multicasting είναι οι εξής:

·       Κάθε πακέτο IP περιέχει ένα προκαθορισμένο αριθμό bits, που αποτελούν τη διεύθυνση του μηχανήματος προορισμού. Στην έκδοση 4 του προτύπου, η διεύθυνση αποτελείται από 32bits. Αν τα  4 πρώτα  είναι τα "1101", αυτό σημαίνει ότι το πακέτο είναι multicast. Τα υπόλοιπα 28bits ταυτοποιούν το multicast group στο οποίο προορίζεται το πακέτο. Δεν υπάρχει κάποια αρχή που να δίνει αυτές τις διευθύνσεις. Κάθε multicast-server επιλέγει τη διεύθυνση του group, η οποία, συνήθως,  είναι έγκυρη μόνο κατά τη διάρκεια της επικοινωνίας.

·       Η έλλειψη αρχής συνεπάγεται ότι είναι δυνατόν να έχουν δύο multicast groups την ίδια διεύθυνση. Αν συμβεί αυτό, και τα groups βρίσκονται σε διαφορετικά φυσικά δίκτυα του Internet, τότε δεν θα υπάρξει πρόβλημα. Αντίθετα, αν τα δίκτυα είναι συνδεδεμένα, θα προκύψει χάος.

·       Τα groups είναι δυναμικά, δηλαδή κάθε κόμβος μπορεί να "μπαίνει" και "βγαίνει" όποτε θέλει. Για να δηλωθεί η επιθυμία συμμετοχής σε κάποιο group, ένας κόμβος τις απαραίτητες πληροφορίες συμμετοχής του στον multicast server. Αυτό γίνεται μέσων ειδικών δρομολoγητών που ονομάζονται multicast routers ή multicast gateways.

·       Ο διάλογος μεταξύ ενός multicast router και ενός multicast κόμβου γίνεται μέσω του πρωτοκόλλου Internet Group Management Protocol (IDMP).

·       Σε δίκτυα που δεν στηρίζονται σε μοιραζόμενο μέσο, κάθε multicast router ελέγχει ανά τακτά χρονικά διαστήματα αν κάποιο μέλος αποφάσισε να "βγει" από το group ώστε να μην φορτώνεται το δίκτυο άσκοπα.

·       Η δρομολόγηση των multicast πακέτων στους multicast routers γίνεται με ειδικούς αλγόριθμους. Τέτοιοι αλγόριθμοι είναι οι: Distance Vector Multicast Routing Protocol, Multicast Open Shortest Path First Routing και ο πιο γενικός Protocol Independent Multicast.

·       Αυτή τη στιγμή δεν υποστηρίζουν όλοι οι IP routers τα παραπάνω πρωτόκολλα  multicasting. Όμως, οι περισσότεροι δρομολογητές που στηρίζονται στο UNIX, μπορούν να προσφέρουν υπηρεσίες multicasting.

MBone

Το όνομα MBone αποτελεί συντομογραφία του "Virtual Internet backbone for Multicast IP". Το MBone είναι δύο πράγματα:

1.    Ένα φυσικό δίκτυο, το οποίο αποτελείται από IP multicast κόμβους οι οποίοι είναι διεσπαρμένοι σε όλο τον κόσμο και συνδεδεμένοι πάνω στο Internet.

2.    Ένα σύνολο εργαλείων που επιτρέπουν την ανακοίνωση της μετάδοση προγραμμάτων (ήχου ή εικόνας) και βοηθούν τους χρήστες να δηλώσουν συμμετοχή σε κάποιο group και, φυσικά, να παρακολουθήσουν το πρόγραμμα.

Να τονίσουμε ότι το δίκτυο MBone σχεδιάστηκε και λειτουργεί από εθελοντές. Κατά συνέπεια, μπορεί να θεωρηθεί μόνο ως μια πειραματική υλοποίηση του multicasting διαμέσου του Internet. Οι πιο δημοφιλείς εφαρμογές του MBone υλοποιούν ραδιοφωνικά και τηλεοπτικά κανάλια. Στα εργαλεία περιέχεται και ένα είδος οδηγού, που περιέχει όλα τα προγράμματα. Ο χρήστης απλώς επιλέγει αυτό που θέλει να δει, χωρίς να γνωρίζει περισσότερες τεχνικές λεπτομέρειες. Κάθε κανάλι video είναι των 128Kbps, μέγεθος που επιτρέπει μόλις 3fps και χαμηλή ανάλυση. Η επιλογή αυτή έγινε για να υποστηριχθεί πιο εύκολα παγκόσμια μετάδοση.

Circuit WANs

Όλες οι υπηρεσίες WAN αυτού του είδους λειτουργούν με σύνδεση. Οι συνδέσεις μπορεί να είναι μόνιμες ή με μεταγωγή. Τα όρια αυτών των δύο κατηγοριών δεν είναι τόσο καθαρά γιατί σήμερα οι εταιρείες τηλεπικοινωνιών μπορούν να προσφέρουν ευελιξία με μόνιμες συνδέσεις. Τα κυκλώματα μπορεί να μεταδίδουν την πληροφορία είτε σε αναλογική μορφή είτε σε ψηφιακή. Η αναλογική μετάδοση χρησιμοποιείται στις παραδοσιακές τηλεφωνικές υπηρεσίες.

Τα ψηφιακά κυκλώματα μεταδίδουν την πληροφορία με μια τεχνική που ονομάζεται Synchronous Transfer Mode (STM). Η STM είναι μια μορφή TDM πολύπλεξης. Από την στιγμή που θα καθοριστεί η συχνότητα παροχής χρονικών σχισμών σε μια σύνδεση, μένει σταθερή ακόμα και αν μεταδίδεται καθόλου πληροφορία ή οι απαιτήσεις μετάδοσης αυξηθούν απότομα (bursts). Η εξέλιξη των ψηφιακών υπηρεσιών μετάδοσης ακολούθησε δύο βήματα. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε η πλησιόχρονη ψηφιακή ιεραρχία (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) η οποία βασίζεται σε κανάλια χωρητικότητας κάποιου πολλαπλάσιου του 64kbps. Στη συνέχεια παρουσιάστηκε η σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία (Synchronous Digital Hierarchy) και η παραλλαγή της στην Αμερική Synchronous Optical Network Hierarchy (SONET).

Άρα, οι υπηρεσίες των WAN με μεταγωγή κυκλώματος μπορούν να διακριθούν σε: μισθωμένες ή με μεταγωγή αναλογικές ή ψηφιακές γραμμές (leased or switched analog or digital circuits).

Τα ψηφιακά κυκλώματα μπορούν  να προσφέρουν εξασφαλισμένο εύρος ζώνης στις συνδέσεις που υποστηρίζουν. Επίσης, οι καθυστερήσεις μεταφοράς που παρουσιάζουν είναι πολύ μικρές (μερικές δεκάδες msec). Η μεταβλητότητα τους είναι ελάχιστη, γιατί επηρεάζεται μόνο από το jitter του φυσικού μέσου.

Να συνοψίσουμε λέγοντας ότι τα WANs μεταγωγής κυκλώματος προσφέρουν πλήρη ισοχρονισμό και είναι κατάλληλα για εφαρμογές μετάδοσης video και ήχου σε πραγματικό χρόνο αλλά δεν μπορούν να αντεπεξέλθουν σε "εκρήξεις" και σε μαζικές μεταδόσεις πληροφορίας σε πολλούς παραλήπτες.

ATM WAN

Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, άρχισε να γίνεται φανερή η ανάγκη ενός δικτύου που να μπορεί να ολοκληρώσει όλα τα είδη ψηφιακών υπηρεσιών, από την χαμηλής ταχύτητας τηλεφωνία μέχρι τις επικοινωνίες πολύ υψηλής ταχύτητας. Το δίκτυο αυτό ονομάστηκε Broadband Integrated Digital Network (B-ISDN).

Για το B-ISDN επιλέχθηκε η ΑTM μετάδοση αντί για την STM. Ο κύριος λόγος ήταν για να επιτραπεί η καλύτερη αξιοποίηση της χωρητικότητας των γραμμών, αφού η τεχνολογία ATM μεταδίδει, όπως έχουμε πει, πακέτα. Το ΑΤΜ μπορεί να βασιστεί σε μια PDH ιεραρχία ή και στην πιο πρόσφατη SDH. Το ΑΤΜ μπορεί να συνυπάρξει και με αναλογικές μεταδόσεις. Υπάρχει μια πρόταση που στηρίζεται σε οπτικές ίνες και υλοποιεί ένα αναλογικό κανάλι για μετάδοση τηλεοπτικού σήματος και ένα ψηφιακό που προσφέρει ATM ψηφιακές υπηρεσίες. Τα δύο κανάλια μεταδίδονται μέσω της ίδιας ίνας, αλλά χρησιμοποιούν διαφορετικό μήκος κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Αυτή η προσέγγιση ονομάζεται ATM over passive optical network και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές όπως η interactive τηλεόραση, η τηλεδιάσκεψη και το video-on-demand.

Τα δυνατά σημεία του ATM είναι η μεγάλη ποικιλία των προσφερομένων υπηρεσιών και η μεγάλη ταχύτητα (μέχρι και 622Mbps). Υπάρχουν 4 βασικές κατηγορίες υπηρεσιών:

·       Class A: Εξομοιώνει τη λειτουργία κυκλωμάτων και προσφέρει εγγυημένο αλλά σταθερό ρυθμό μετάδοσης.

·       Class B: Αυτή είναι μια καινούργια υπηρεσία που προσφέρει μόνο το ATM. Εξασφαλίζεται ο ρυθμός της σύνδεσης, ο οποίος όμως μπορεί και να μεταβάλλεται ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Αυτή η υπηρεσία είναι ιδανική για τη μετάδοση συμπιεσμένου video, η οποία δεν έχει σταθερή ταχύτητα.

·       Class C: Σε αντίθεση με τις δυο προηγούμενες κατηγορίες, εδώ δεν υπάρχει κάποιου είδους συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη της πληροφορίας. Ο ρυθμός μεταφοράς είναι μεταβλητός. Η διαφορά με τις αντίστοιχες υπηρεσίες δεδομένων που υπάρχουν ήδη, είναι ότι κατά την αρχικοποίηση της σύνδεσης, μπορεί να καθοριστεί η απαιτούμενη ποιότητα σύνδεσης. Η  ποιότητα αφορά τόσο τις κορυφές (peaks) του ρυθμού μεταφοράς που πρέπει να μπορούν να εξυπηρετηθούν και το άνω όριο της καθυστέρησης μεταφοράς.

·       Class D: Όπως η Class C, αλλά γίνεται εξομοίωση υπηρεσίας χωρίς σύνδεση. Φαίνεται παράξενο γιατί να γίνεται μια τέτοια εξομοίωση σε ένα δίκτυο που χρησιμοποιεί επικοινωνία με σύνδεση. Ο στόχος αυτής της υπηρεσίας είναι η συμβατότητα με υπάρχοντα δίκτυα, τα οποία λειτουργούν χωρίς σύνδεση.

Θεωρητικά, το ΑΤΜ αποτελεί την καλύτερη πλατφόρμα για δικτυακές εφαρμογές πολυμέσων, σύγχρονες και ασύγχρονες. Υπάρχουν όμως και δύο προβλήματα. Το πρώτο είναι καθαρά τεχνολογικό. Το ΑΤΜ μπορεί να παρουσιάσει συμφορήσεις (congestions) όταν πολλές "εκρήξεις" στη μετάδοση της πληροφορίας παρουσιαστούν ταυτόχρονα σε συγκεκριμένα κομμάτια του δικτύου. Σημαντική ερευνητική εργασία γίνεται για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Το άλλο πρόβλημα αφορά τις στρατηγικές προώθησης του στην αγορά, που θα ακολουθήσουν οι εταιρείες τηλεπικοινωνιών. Αρκετές από τις υπηρεσίες που προσφέρει το ATM ανταγωνίζονται τις ήδη υπάρχουσες, παλιές και νέες, υπηρεσίες που προσφέρουν οι εταιρείες τηλεπικοινωνιών. Είναι, συνεπώς, αβέβαιο κατά πόσο θα γίνει πλήρης στροφή στο ΑΤΜ και θα προσφερθούν όλες οι υπηρεσίες του, ή θα ακολουθηθεί μια μέση λύση, για να μην εγκαταλειφθεί η υπάρχουσα υποδομή.

 

Αναλυτικότερα για ΑΤΜ (Παράρτημα H)

Αναλυτικότερα για ISDN (Παράρτημα Θ)