Protokoly datových sítí

Dnes již víceméně historické protokoly X.25 vznikly ve "světě spojů", neboť je vytvořila organizace CCITT (dnes přejmenovaná na ITU). Stalo se tak na přelomu šedesátých a sedmdesátých let, a jednalo se o řešení určené specificky pro veřejné datové sítě, budované "světem spojů", a nabízené především uživatelům ze "světa počítačů". Nedlouho po svém vzniku posloužila koncepce protokolů X.25 dokonce i jako podklad pro vznik sedmivrstvého Referenčního modelu ISO/OSI, ve kterém pokryla tři nejnižší vrstvy: vrstvu fyzickou, linkovou a síťovou. V zásadě tedy jde o celou skupinu protokolů, z nichž každý "patří" na jednu z těchto tří vrstev - v praxi se ale často hovoří v jednotném čísle o "protokolu X.25", resp. o "doporučení X.25", které tyto protokoly definuje.

Základní charakteristikou protokolů X.25 je to, že vychází z principu přepojování paketů (packet switching), a tedy z představy, že data budou přenášena po blocích (paketech) a v jednotlivých mezilehlých uzlech budou zpracovávána stylem "store & forward". To bylo ve své době poměrně revoluční řešení, uvážíme-li že vzniklo ve světě spojů, který je tradičně zvyklý fungovat na principu přepojování okruhů (circuit switching). Další důležitou charakteristikou technologie X.25 je to, že usiluje o tzv. spolehlivý přenos. To znamená, že pokud při přenosu dojde k nějaké chybě (poškození dat), chápe X.25 jako svou povinnost postarat se o nápravu. V důsledku toho mají protokoly X.25 v sobě zabudovány poměrně silné opravné mechanismy, které se o zajištění požadované spolehlivosti starají a dělají z X.25 velmi robustní přenosovou technologií. Na druhé straně existence těchto mechanismů sebou přináší nemalou režii, projevující se zejména v nižší celkové efektivnosti přenosů.

X.25: Pouze navenek, nikoli uvnitř

Jak již bylo naznačeno výše, protokoly X.25 se používaly zejména pro potřeby veřejných datových sítí. Dlouhou dobu dokonce platilo, že co veřejná datová síť, to síť na bázi protokolů X.25 - natolik byly tyto protokoly v dané oblasti dominantní. Zajímavé ale je, že právě u veřejných datových sítí byly protokoly X.25 nasazovány a využívány pouze na rozhraní mezi veřejnou datovou sítí a jejími uživateli - tedy v zásadě jako přístupová technologie pro potřeby přístupu koncových uživatelů (či: zákazníků) k datové síti, zatímco uvnitř mohla datová síť fungovat jiným způsobem.

Šlo svým způsobem opět o vytváření jisté iluze, podobně jako je tomu u virtuálních privátních sítí - uživatelé se připojují k datové síti prostřednictvím protokolu X.25, a tudíž si o samotné síti také mohou myslet, že uvnitř sebe sama fakticky používá také tyto protokoly. Důvodem pro zavádění takovéto iluze byla snaha o jednotnost: pokud jsou služby veřejných datových sítí nabízeny nejširší veřejnosti, je velmi žádoucí, aby technické podmínky pro připojení k takovéto síti a komunikaci s ní byly jednotné pro všechny potenciální zákazníky (a právě to realizovaly protokoly X.25). Fungování každé konkrétní sítě "uvnitř" pak může být odlišné, a je výlučně záležitostí jejího provozovatele.

Protokoly X.25 se s úspěchem používaly i pro realizaci privátních datových sítí - zde však i "uvnitř", a ne pouze na rozhraní mezi sítí a uživatelem. Vlastníci a provozovatelé privátních datových sítí neměli zapotřebí skrývat skutečný způsob fungování sítě, kterou měli "plně ve své moci". Přesto ale i oni velmi často volili právě protokoly X.25, a to zejména pro jejich celkovou robustnost i pro dostupnost produktů na bázi X.25.

Od doby, kdy protokoly X.25 vznikly, uplynulo již hodně let. Za tu dobu se také změnily mnohé z původních předpokladů, ze kterých koncepce X.25 vycházela. Například spolehlivost přenosových cest se zlepšila (resp. jejich chybovost klesla), a tak výrazně poklesla i potřeba silných mechanismů pro zajištění spolehlivosti. Naopak výrazně vzrostla poptávka po rychlosti a celkovou propustnost přenosových částí sítě. Změnu doznala i samotná zásada o tom, že spolehlivý přenos je jediný žádoucí, zatímco nespolehlivou přenosovou službu by nikdo nechtěl - naopak se ukázalo, že mnohé aplikace dávají přednost rychlosti a pravidelnosti přísunu dat (například různé multimediální aplikace), zatímco ještě jiné aplikace si spolehlivost raději zajistí samy, protože ta kterou by poskytovala přenosová část sítě pro ně není dostatečná.

Technologie X.25 dokázala zareagovat na tyto trendy například tím, že zvýšila svou maximální možnou přenosovou rychlost - původní verze protokolů X.25 z roku 1974 počítala jen s přenosovými rychlostmi do 64 kbps, a teprve novější verze standardu (z roku 1992) zvýšila rychlostní limit až na 2 Mbps. Jiných svých vlastností se ale X.25 nedokázala zbavit, resp. překonat je a aktualizovat podle potřeby. Jde zejména o zátěž mechanismů pro zajištění spolehlivosti, způsobující zbytečnou neefektivnost.

Právě z tohoto důvodu je dnes X.25 považována za přežitou, i když stále ještě používanou technologií.

Další vývojovou etapou je Frame Relay

Cesta dalšího vývoje, hnaná především požadavkem na co nejvyšší efektivnost přenosů, se nejprve postarala o odstranění mechanismů pro zajištění spolehlivosti - tím se z technologie X.25 stala technologie Frame Relay.

Frame Relay je technologie, která na rozdíl od X.25 funguje již jen na linkové vrstvě, a je schopna vytvářet iluzi dvoubodového spoje mezi dvěma lokalitami. Snaží se také spojovat výhody mechanismů přepojování okruhů a přepojování paketů - lze se na ni dívat jako na funkční analogii vyhrazených pevných okruhů, ovšem realizovanou prostřednictvím sítí fungujících na principu přepojování paketů. Díky tomu mohou být sítě na bázi Frame Relay ekonomicky výhodnější, než klasické pronajaté okruhy.

Technologie Frame Relay dokáže garantovat určitou minimální propustnost pro jednotlivé virtuální přenosové okruhy které vytváří (podle toho, jakou hodnotu parametru CIR, Committed Information Rate si uživatel/zákazník sjedná). Vedle toho se ale Frame Relay snaží v praxi nabízet i vyšší přenosové kapacity, pokud je možné je poskytnout a jsou požadovány.

ATM

Další technologií, která se výrazně prosadila v oblasti datových sítí, je technologie ATM. Lze ji chápat také jako další vývojovou variantu ve sledu protokolů X.25 a Frame Relay, i když technologie ATM původně vznikla spíše jako řešení pro potřeby "světa spojů". Poměrně brzy se ale začala prosazovat i jako řešení použitelné i ve "světě počítačů", a to zejména kvůli své snaze spojit výhody mechanismů přepojování paketů a přepojování okruhů.

V tomto ohledu je tedy technologie ATM podobná technologii Frame Relay, i když přeci jen mezi nimi existuje výrazná odlišnost: Frame Relay přenáší rámce proměnné velikosti (na úrovni linkové vrstvy). Naproti tomu ATM přenáší bloky dat pevné velikosti, v zásadě také na úrovni linkové vrstvy.

Bloky dat, které technologie ATM přenáší, jsou opravdu velmi malé - mají jen 53 bytů, z nichž 5 bytů tvoří hlavičku a 48 bytů užitečný náklad. Říká se jim "buňky" (cells), a hlavní předností jejich malé velikosti je jejich počet - sice "unesou" málo dat, ale na druhé straně může být takovýchto ATM buněk přenášeno opravdu hodně, a kdykoli je zapotřebí odněkud někam rychle přenést nějaká data, je statisticky větší šance najít volnou buňku do které bude možné data vložit a odeslat (s rostoucí velikostí buněk, resp. bloků tato pravděpodobnost klesá). Díky této své vlastnosti pak technologie ATM dokáže dobře vyhovět potřebám různých multimediálních přenosů včetně přenosů hlasových, citlivých na velikost přenosového zpoždění a jeho rozptyl.

Schopnost technologie ATM vycházet vstříc různým požadavkům na kvalitu služeb (QoS, Quality of Service) je její velkou předností. Na druhou stranu velkou nevýhodou technologie ATM je její celková komplikovanost a nepružnost, i úplně jiný "pohled na svět", než jaký je dnes obvyklý ve světě datových komunikací. Většina dnešních počítačových aplikací například dává přednost tzv. nespojovanému přenosu, při kterém není navazováno spojení. To ATM nepodporuje a pracuje pouze na tzv. spojovaném principu (vždy předpokládá, že mezi komunikujícími stranami je vytvořeno spojení, v rámci kterého jsou také dohodnuty požadované parametry komunikace). Další nevýhodou ATM je to, že nepodporuje tzv. všesměrové vysílání, neboli broadcast (čili vysílání jednoho uzlu současně ke všem ostatním uzlům).

Všechny tyto vlastnosti pak podstatně komplikují provozování typických "počítačových" aplikací nad ATM sítěmi - příslušné "napasování" přenosových protokolů vyšších vrstev (zejména protokolu IP) nad ATM je hodně složité a ztrácí se při něm mnoho z celkové výkonnosti ATM.

IP over everything

Je-li technologii ATM vytýkána její velká složitost a nepružnost, pak úplným protikladem k ní jsou protokoly z rodiny TCP/IP, konkrétně přenosový protokol IP.

Technologie TCP/IP vznikla pro potřeby Internetu a doznala velmi dobrého "propracování" i širokého nasazení - dnes je možné provozovat protokoly TCP/IP snad po čemkoli (po jakékoli fyzické přenosové infrastruktuře). To ostatně bylo i původním záměrem autorů TCP/IP, který lze charakterizovat sloganem "IP nad vším" (IP over everything).

Protokol IP byl samozřejmě od začátku koncipován jako základní přenosový protokol pro datové sítě (v obecném slova smyslu, pro sítě určené k přenosu dat a fungující na principu přepojování paketů). Původně se používal především pro potřeby Internetu, ale s postupem času se začal prosazovat i do dalším sítí, včetně těch, které je dnes možné považovat za typické veřejné či privátní sítě. Stal se také převažujícím protokolem, který svým uživatelům nabízí dnešní virtuální privátní sítě.

Nad protokolem IP jsou dnes provozovány opravdu nejrůznější aplikace, včetně přenosů hlasu a nejrůznějších multimediálních aplikací. Zde se samozřejmě naráží na problém toho, že protokol IP (ani jiné protokoly z rodiny TCP/IP) nepodporují různé úrovně kvality služeb, a "měří všem stejně", na principu maximální snahy, ale nezaručeného výsledku (viz úvodní článek).

Absence podpory kvality služeb se v prostředí IP sítí řeší v zásadě třemi různými způsoby:

• zaváděním mechanismů pro podporu kvality služeb (viz úvodní článek)
• zvyšováním celkové dostupné přenosové kapacity, v očekávání že její dostatek bude statisticky minimalizovat situace, kdy se nebude dostávat zdrojů pro uspokojení všech souběžných požadavků
• zaváděním nových technik digitalizace a komprese, které snižují citlivost multimediálních aplikací (včetně přenosu hlasu) na kvalitě přenosových služeb.