CC BY
26
Profesor dr Milojko Jevtović,
dipl. inž.
Institut Jugoslovenske inženjerske akademije, Beograd
Rezime:
PARALELNO UMREŽAVANJE RAČUNARA
UDC: 004.725.5
U radu je izložena originalna koncepcija tehničkog rešenja paralelnog umrežavanja računara, kao i lokalnih računarskih mreža (LAN- Local Area Network), odnosno poveziva-nje i istovremena komunikacija preko više različitih transportnih telekomunikacionih mreža. Opisano je jedno rešenje paralelnog umrežavanja, kojim je omogućen pouzdani prenos mul-timedijalnog saobraćaja i prenos podataka u realnom vremenu između računara ili LAN, istovremeno preko N (N = 1, 2, 3, 4, ...) različitih, međusobno nezavisnih mreža širokogpro-stranstva (WAN - Wide Area Network). Paralelno umrežavanje zasnovano je na korišćenju univerzalnog modema, čije je rešenje, takođe, ukratko predstavljeno.
Ključne reči: računari, umrežavanje računara, računarske mreže, destrukcija mreža, funkci-onalna otpornost mreža, univerzalni modem, paralelno umrežavanje.
PARALLEL NETWORKING OF THE COMPUTERS
Summary:
In this paper, new concept for paralel networking og the computers or LANs over diferent WAN telecommunications networks, is presented. One solution of the parallel networks, which enables reliable transfer of multimedial traffic and data transmission in real time between a computer of LAN via N (N = 1, 2, 3, 4,...) different inter-connected Wide Area Network. Connectons between computers or LANs and wide area networks are realiyed using universal modems whose solution has also been presented.
Key words: computer, computer networking, computer networks, network destruction, network survivability, universal modem, parallel networking.
Uvod
WAN računarske mreže mogu da budu izložene različitim oblicima ugro-žavanja [1], među kojima su najteže de-strukcije izazvane ratnim borbenim dej-stvima (bombardovanjem) ili prirodnim nepogodama (zemljotresi, poplave, poža-ri), koje mogu da zahvate velika pro-stranstva. Različite vrste mreža (bežične pokretne radio-mreže, satelitske mreže, žične mreže, optičke mreže) nisu jednako osetljive na ove vrste destrukcija, mada
svaka od njih pojedinačno može da bude ugrožena destrukcijama određenog tipa.
Nameće se pitanje da li je realno moguće obezbediti zaštitu WAN mreža, odnosno funkcionalnu otpornost neke ra-čunarske mreže ako je ona izložena de-struktivnim dejstvima. U radu je opisano rešenje koje se zasniva na paralelnom umrežavanju računara (ili LAN-ova), odnosno njihovom istovremenom poveziva-nju na više različitih tipova telekomunikacionih mreža, čime se obezbeđuje si-gurna zaštita računarske mreže. To reše-
198
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
nje provereno je u realnim uslovima funkcionisanja jedne računarske mreže, koja je bombardovanjem bila izložena velikim destrukcijama.
Pod paralelnim umrežavanjem raču-nara podrazumeva se povezivanje raču-nara preko jednog univerzalnog modema [2] sa više različitih interfejsa, preko ko-jih se modulisani signali istovremeno upućuju na N fizički i prostorno potpuno odvojenih transportnih telekomunikacio-nih WAN mreža. Na taj način omoguća-va se da signali preneti preko N različitih mreža budu sigurno prihvaćeni (sa neke od N mreža) od prijemnog modema, bez obzira na moguće destrukcije nekih od N mreža. Prijemni modem analizira signale koji su prispeli sa svih mreža i selektuje onaj signal koji obezbeđuje zahtevani kvalitet usluga (QoS - Quality of Service) [3]. Radi se o korisničkom QoS-u, kojim se definišu zahtevi za osnovne pa-rametre kvaliteta, a to su: kašnjenje, vari-jacija kašnjenja i verovatnoća gubitka in-formacija. Na ovaj način moguće je reali-zovati funkcionalno otporne zaštićene ra-čunarske mreže, odnosno sigurnu komu-nikaciju između umreženih računara, bez obzira na destruktivna dejstva.
Funkcionalna otpornost računarskih mreža
Funkcionalna otpornost mreže (Network Survivability) predstavlja jednu od najznačajnijih osobina današnjih teleko-munikacionih mreža. Ona može da se de-finiše kao mogućnost mreže da održi zahtevani nivo kvaliteta komunikacione usluge prilikom otkaza u mreži, odnosno otkaza nekih njenih linkova ili čvorova. Višeslojna funkcionalna otpornost mreže (Multilayer Network Survivability) od-nosi se na mogućnost da se procedure ili šeme za postizanje funkcionalne otpor-nosti mreže smeste (ugnjezde) između dodirnih slojeva mreže, kao i na načine interakcije ovih šema.
Načini projektovanja funkcionalno otpornih računarskih mreža prikazani su na slici 1. U projektovanju funkcionalno otpornih paketskih IP (Internet Protocol) računarskih mreža, koje na mrežnom slo-ju koriste MPLS (Multi Protocol Label Svitching) ili GMPLS (General MPLS) protokol, razlikuju se tri pristupa:
- funkcionalna otpornost „s kraja na kraj veze“ - postoji samo jedan jed-noslojni mehanizam koji obezbeđuje ovu funkcionalnu otpornost;
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
199
- kaskadna funkcionalna otpornost mreže - postoji više mehanizama koji obezbeđuju ovu otpornost, pri čemu se određeni mehanizmi i procedure prime-njuju sekvencijalno, tj. jedna za drugom;
- ugnjezdena funkcionalna otpornost - postoji više mehanizama koji obezbeđuju funkcionalnu otpornost, pri čemu se oni koriste za jedan isti domen.
- zaštita 1:N - koja predstavlja spe-cijalni slučaj zaštite tipa 1:1, pri kojoj N radnih putanja deli jednu pomoćnu zaštit-nu putanju, što obezbeđuje funkcionisa-nje mreže samo ako se pojavi jedan otkaz u domenu mreže koji se štiti.
Izbor određenog tipa zaštite vrši se prilikom projektovanja mreže, na osnovu projektnih zahteva.
Tipovi zaštite mreža od otkaza
Metode oporavka mreže od otkaza
Postoji više tipova zaštite računar-skih MPLS/GMPLS mreža, koji se mogu koristiti radi obezbeđenja njihove funkci-onalne otpornosti. To su:
- zaštita 1 + 1 - kod koje se saobra-ćaj koji se štiti šalje istovremeno preko dve paralelne putanje u mreži, s tim što u toku normalnog rada prijemni entitet pri-ma dva jednaka saobraćajna toka, biraju-ći jedan od njih, ali kada jedna od putanja otkaže, prijemni entitet se prebacuje na prijem saobraćaja sa ispravne putanje;
- zaštita 1:1 - kod koje se, takođe, koriste dve paralelne putanje u mreži, ali u toku normalnog rada nema saobraćaja preko alternativne putanje, već se u slu-čaju otkaza na primarnoj putanji predajni i prijemni računar prebacuju na alterna-tivnu putanju;
MPLS proto kol obezbeđuje metode opravke računarske mreže nakon otkriva-nja otkaza u mreži. MPLS mehanizmi za zaštitu od otkaza koriste pomoćne puta-nje na koje se saobraćaj preusmerava ka-da se u mreži ustanovi otkaz.
Analiza načina projektovanja funk-cionalne otpornosti i tipova zaštite paket-skih računarskih mreža pokazuje da se ova rešenja mogu primenjivati samo kod otklanjanja otkaza u računarskoj
MPLS/GMPLS mreži.
Poznata su tri statička modela opo-ravka (restauracije) mreže:
- Globalni model oporavka (opravke) računarske mreže prikazan je na slici 2, kod kojeg je ulazni čvor namenjen za ponovno uspostavljanje putanje kroz mrežu kada se pojavi signal indikacije otkaza.
200
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
Globalni model zahteva altemativnu putanju za svaku radnu putanju. Global-na zaštita je uvek aktivna na ulaznom čvoru, bez obzira na to gde se otkaz poja-vio duž radne putanje.
- Lokalni model oporavka računar-ske mreže (prikazan je na slici 3), koji služi da zaštiti od otkaza linka ili čvora samo deo radne putanje, bez obzira na to gde se on pojavi duž radne putanje.
- Model povratne zaštite (prikazan je na slici 4), kojim se saobraćaj preu-smerava nazad do izvornog čvora (rute-ra) zaštićene putanje.
U trenutku kada se ustanovi otkaz, ruter na kraju linka u otkazu preusmerava dolazni saobraćaj u suprotnom smeru, od-nosno ka ulaznom čvoru. Ovaj model po-
godan je u aplikacijama gde su saobraćaj-ni tokovi osetljivi na gubitke informacija. Mana modela povratne zaštite jeste to što su potrebne dve pomoćne putanje da bi se obezbedila zaštita. Drugi nedostatak je kašnjenje, koje nastaje zbog vremena po-trebnog da se prenese indikacija o otkazu.
Navedeni tipovi zaštite i modeli oporavka mreže nisu efikasni u zaštiti ra-čunarske mreže od destruktivnih dejsta-va. Oni otklanjaju pojedinačne otkaze, a nisu efikasni u slučaju istovremene de-strukcije više linkova i čvorova računar-ske mreže. Takođe, mora se imati u vidu da se pomenuti modeli mogu primeniti samo kod MPLS/GMPLS mreža, dok za druge tipove računarskih mreža nisu pri-menljivi.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
201
Funkcionalna otpomost računarskih mreža je neophodna da bi data mreža mogla da zadovolji zahteve za osnovne parametre QoS-a. Prema preporukama G.1000 i G.1010, to su: kašnjenje, varija-cija kašnjenja i verovatnoća gubitka in-formacija. Ispunjavanje ovih zahteva preduslov je da računarska mreža omo-gući komunikaciju podacima u realnom vremenu, kao i multimedijalni saobraćaj. Takođe, računarska mreža treba da zadovolji ove zahteve i u slučaju destruktiv-nog ugrožavanja.
Koncepcija paralelnog umrežavanja
Koncepcija paralelnog umrežavanja računara prikazana je na slici 5. Na sva-ku od mogućih N WAN mreža, računar ili LAN povezuje se korišćenjem samo jednog univerzalnog modema.
WAN mreže, na koje se povezuju računari ili LAN mreže, mogu biti:
- iznajmljeni kanali telefonske ana-logne ili digitalne mreže;
- ISDN - digitalna mreža integrisa-nih službi;
- pokretne KT radio-mreže;
- mobilne bežične VVF/UVF radio--mreže;
- frame relay mreže;
- IP ruterske mreže;
- satelitski kanali, odnosno mreže;
- kablovske žične i optičke mreže;
- telefonske radio-relejne mreže itd.
Mrežne performanse navedenih vr-
sta telekomunikacionih mreža moraju bi-ti u granicama koje su definisane određe-nim standardima. Prenos podataka u real-nom vremenu uspešno se može realizo-vati samo ako je kvalitet prenosa signala u referentnim granicama [4]. S obzirom na to da se performanse ovih mreža znat-
202
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
no razlikuju, računari se na svaku od njih moraju povezivati korišćenjem različitih tipova modema, odnosno modulisanih signala. Zbog toga se računari na te mre-že povezuju jednim univerzalnim mode-mom, koji omogućava da se podaci (sa računara) modulišu istovremenim koriš-ćenjem više različitih modulacija. To znači da se podaci (signali) sa računara, različito modulisani u univerzalnom mo-demu, prenose istovremeno preko kanala pojedinačnih mreža. Prijemni univerzalni modem utvrđuje kvalitet svakog primlje-nog signala, a ka računaru upućuje de-modulisani najkvalitetniji signal. Pod najkvalitetnijim signalom podrazumeva se onaj koji ima minimalno kašnjenje, varijaciju kašnjenja (džiter) i najmanje gubitke informacije. Ukoliko neka od N transportnih mreža bude onesposobljena destruktivnim dejstvima, ona ne utiče na mogućnost i kvalitet komunikacije poda-cima u računarskoj mreži.
Praktična provera efikasnosti paralel-nog umrežavanja izvedena je u realnim uslovima kada je jedna namenska raču-narska mreža bila izložena destruktivnom razaranju. Podaci su prenošeni preko tri paralelne mreže, od kojih je jedna bila po-kretna KT radio-mreža. Povezivanje na pomenute mreže ostvareno je korišćenjem multitonskog modema M-2400, koji omo-gućava otpremanje, odnosno prijem poda-taka istovremeno sa dve mreže.
Modem M-2400 automatski utvrđuje kvalitet signala, poređenjem džitera faze multitonskih modulisanih signala. Time se omogućava da prema računaru bude prosleđen signal sa najboljim kvalitetom. Sa tri paralelno povezane transportne mreže obezbeđena je zahtevana funkcio-
nalna otpornost, uprkos destrukciji osnov-ne mreže, na koju su se računari uobičaje-no povezivali u normalnoj eksploataciji.
Univerzalni modem i povezivanje
računara na paralelne mreže
Paralelno umrežavanje tehnički je izvodljivo pod uslovom da se koristi modem (kojim se povezuje računar ili LAN na WAN mreže) koji generiše dva ili više različito modulisanih signala. Ti modulisani signali sa modemskih interfejsa prenose se preko odgovarajućih transportnih mreža ka drugom modemu, odnosno ra-čunaru ili LAN-u.
Univerzalni modem je projektovan [2] tako da omogući komunikaciju - pre-nos podataka, istovremenim poveziva-njem računara preko više nezavisnih tele-komunikacionih mreža. Drugim rečima, univerzalni modem u upotrebnom i funk-cionalnom smislu predstavlja multimodem. On objedinjava više različitih tipova modema u jednom uređaju, a prilikom komunikacije ti modemi otpremaju ili primaju istu poruku, odnosno podatke. Povezan sa jednim univerzalnim mode-mom, računar, terminal, senzor (radar) ili LAN priključuje se istovremeno na više WAN mreža.
Univerzalni modem [2] obuhvata funkcije sledećih klasičnih tipova modema:
- FSK V.23 asinhroni modem, čije su funkcije i tehničke karakteristike defi-nisane ITU-T preporukom V.23;
- paralelni multitonski modem, čije su funkcije definisane standardom MIL-STD-188C, tačka 4.5.7, koji omogućava prenos podataka brzinom 2400 b/s preko KT radio-mreža;
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
203
lo<
2о«
Korisnički
interfej si
Centralna
procesorska
jedinica
Jedinica za obradu
digitalnih signala
Mrežni
adapted
►oKanal 1 ►o Kanal 2
►o Kanal 3
Jedinica za napajanje
-o Spoljašni izvor
Sl. 6 - Blok-šema univerzalnog modema
- dupleksni V.22 bis modem, čije su funkcije i karakteristike date u ITU-T preporuci V.22 bis;
- modem V.26, za prenos podataka preko 4-žičnih kanala, čije su tehničke karakteristike definisane UTU-T prepo-rukom V.26;
- dvožični dupleksni modem V.32, čije su performanse date ITU-T preporu-kom V.32;
- modem 2B1Q, za komunikaciju preko ISDN mreža i prenos podataka u osnovnom opsegu bitskim brzinama do 144 kb/s, čije su karakteristike definisane ETSI standardima;
- jednotonski modem, za prenos podataka brzinama do 16 kb/s preko VVF-
UVF radio-mreža i satelitskih veza, čije su karakteristike definisane standardom MIL-STD-188-181-A;
- modem za prenos podataka prema NATO standardu STANAG 4285.
Blok-šema univerzalnog modema prikazana je na slici 6.
Osnovni elementi univerzalnog modema su: centralna procesorska jedinica (mi-kroprocesor), jedinica za obradu digitalnih signala (sa DSP i fleš memorijama), mrežni adapteri (interfej si prema mrežama), kori-snički interfejsi i jedinica za napajanje.
Blok šema jedinice za obradu digitalnih signala prikazana je na slici 7. U ovoj jedinici softverski se realizuju sle-deće funkcije: upravljanje komunikaci-
Od/ka
računaru
Fleš memorija Fleš memorija Fleš memorija
Upravljanje komunikacijom (protokoli) DSP Detekcija i korekcija grešaka (FEC kodovi) DSP Algoritmi Modulacija/ Demodulacija DSP
DSP - Digitalni signal procesor
1|U
S Јз о • 3
< s --в .8
► 1. kanal (mreža)
2 - žična linija
► 2. kanal (mreža)
Radio
► 3. kanal (mreža)
Radio
Sl. 7 - Blok-šema za obradu signala
204
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
jom (komunikacioni protokoli), kodova-nje radi detekcije i korekcije grešaka ko-je su nastale prilikom prenosa podataka i modulacije - demodulacije signala.
Sve funkcije modema realizovane su softverski. Softverski modulatori i de-modulatori, softverska sinhronizacija, kodovanje i dekodovanje i druge softverski realizovane funkcije omogućile su koncentraciju funkcija brojnih klasičnih modema u jednom uređaju. Bez izmena u hardveru, univerzalnom modemu mogu se dodavati funkcije drugih željenih tipo-va modema. Programi koji obavljaju ove funkcije modema uskladišteni su u fleš memoriji, čime je olakšano i ubrzano bi-ranje odgovarajuće modulacije prema performansama mreže [4] na koju se upućuju modulisani signali.
Zaključak
Predstavljena koncepcija tehničkog rešenja paralelnog umrežavanja računara
i lokalnih pristupnih mreža, zasnovana na korišćenju posebnog univerzalnog modema, omogućava efikasno rešenje zaštite WAN računarskih mreža u slučaju destruktivnih dejstava po komunikacio-nom sistemu nekog regiona ili neke ze-mlje. Rezultati praktične primene ovog rešenja, u uslovima kada je komunikacioni sistem vojske jedne zemlje bio izlo-žen destrukciji bombardovanjem, poka-zuju da se na ovaj način može ostvariti funkcionalna raspoloživost i efikasnost određene računarske mreže.
Literatura:
[1] Jevtović, M.: Multimedijalne telekomunikacije, ISBN 86903281-6-5, Grafo-Žig, Beograd, 2004.
[2] Jevtović, M.: Projekat realizacije univerzalnog modema, VTI, Beograd, interni dokument, 2002.
[3] Jevtović, M.: Kvalitet usluga telekomunikacionih mreža, ISBN 86-903281-1-4, Grafo-Žig, Beograd, 2002.
[4] Jevtović, M.: Univerzalni modem - Laboratorijska ispitiva-nja i merenje parametara kanala na linkovima računarskih mreža, Fakultet tehničkih nauka, Katedra za računarsku tehniku i računarske komunikacije, Novi Sad, interni doku-ment, 2003.
VOJNOTEHNIČKIGLASNIK 2/2007.
205
