آشنایی با معماری شبکه دسترسی ‌اینترنت پرسرعت

از دیدگاه فنی، مودم‌های ADSL یکی از مناسب‌ترین گزینه‌های ایجاد دسترسی به اینترنت پرسرعت در سراسر جهان محسوب می‌شوند و در مرکز ثقل تجارت شرکت‌های فراهم‌کننده خدمات دسترسی قرار دارند. البته به کارگیری این مودم‌ها بدون چالش‌ نیز نیست. برای مثال، مشکلات ارائه خدمات در ابعاد کلان، هزینه‌های نصب که با توجه به لزوم اعزام متخصصان به محل سکونت یا کار کاربران افزایش می‌یابد، حفظ امنیت و جلوگیری از استفاده‌های غیرمجاز، برخی از این مشکلات به حساب میآیند.

ADSL انواع متعددی دارد، ولی دسترسی به سرعت‌های تا چند ده مگابیت بر ثانیه با آن امکانپذیر است. البته سرعت معمول در سمت دریافت (Downstream) معمولاً میان 348Kbps تا 1Mbps و سرعت ارسال (Upstream)  معمولاً کمتر از 224kbps در نظر گرفته می‌شود.

در واقع زیرساختار ارتباطی شبکه‌های دسترسی مبتنی بر ADSL فرق چندانی با سایر گزینه‌های متداول دسترسی پرسرعت همچون مودم‌های کابلی ندارد. مهم‌ترین مشخصه این شبکه‌ها، ترکیب و تجمیع ترافیک ارتباطی گروه بزرگی از مشترکان در لبه  شبکه (Edge) و ارسال این ترافیک یکپارچه به سمت هسته  اینترنت
(Core) از طریق لینک‌های بسیار سریع مخابراتی است. لبه شبکه علاوه بر تجمیع ترافیک‌ها، بسیاری از عملیات مدیریتی و امنیتی را نیز برعهده دارد و از این لحاظ یکی از مهم‌ترین عناصر این ساختار  به‌شمار می‌رود.

شکل 1 مدل ساده شده‌ای از یک شبکه دسترسی مبتنی بر مودم‌های DSL را نشان می‌دهد. اگر از سمت راست تصویر شروع کنیم، در اولین مرحله کامپیوتر استفاده کننده قرار دارد که به یک مودم ADSL متصل است. ازآنجا زوج سیم خط تلفن را داریم که تا نزدیک‌ترین مرکز مخابراتی امتداد یافته است.

شکل 1- نمایی ساده از شبکه دسترسی مبتنی بر DSL

 
لبته کاربران با به کارگیری جداکننده‌های  نسبتاً ارزان قیمت (Splitter) در محل خود قادر به استفاده همزمان از سیم تلفن خود برای اتصال به گوشی تلفن و مودم خواهند بود. در هر حال، خطوط چندین مشترک در محل مرکز مخابراتی با دستگاهی موسوم به متمرکز‌کننده DSL یا (DSLAM) روی یک ترانک مخابراتی جمع می‌شوند. ترافیک ارسالی از چندین DSLAM نیز به نوبه خود در یکی از مراکز اصلی مخابراتی تجمیع می‌شود و به یک روتر سریع ارسال می‌گردد که نقطه ورود به اینترنت به حساب می‌آید.

چالش‌های پیش‌رو
ایجاد شبکه‌های بزرگ دسترسی مبتنی بر ADSL با یک چالش ساده، و در عین حال دشوار روبه‌روست و آن هم، سهولت به کارگیری است. اصولاً تا وقتی به‌کارگیری یک سرویس برای عموم مردم امکانپذیر نباشد، استقبال از آن در حد محدود باقی می‌ماند. بنابراین درگام اول باید نصب و پیکربندی مودم ADSL به سادگی و توسط خود کاربر امکانپذیر باشد. به این ترتیب، علاوه بر این‌که کاربران احساس رضایت بیشتری خواهند کرد، لزومی به اعزام پرهزینه نیروی فنی شرکت به درِ منازل کاربران نخواهد بود.

چالش بزرگ دیگر، نحوه تخصیص آدرس‌ها است. می‌دانیم که هر مشترک برای ارتباط با اینترنت به تنظیم یک آدرس روی دستگاه کامپیوتر خود نیاز دارد که باید منحصر به‌فرد باشد. همین عمل بسیار ساده، برای خیل عظیمی از کاربران  یک مشکل جدی است. این چالش و موارد مرتبطی همچون تدارک ارتباط، حفظ امنیت آن و ایجاد امکان اتصال همزمان چند کامپیوتر به خط دسترسی، همگی به راه‌حل‌های ساده و حتی‌المقدور خودکار نیاز دارند که قاعدتاً یافتن جواب مناسب برای آن‌ها بر عهده شرکت فراهم‌کننده خدمات است.
 
گزینه‌های فنی 
راه‌حل اساسی چالش‌های حوزه نرم‌افزاری فرایند ارتباط، اجرای یک پروتکل بین کاربر و فراهم‌کننده خدمات است. این پروتکل از نوع پروتکل‌های محلی است که به منظور وظایفی مشخص میان دو نقطه اجرا می‌شوند و در ارتباطات خارج از آن حوزه نقش ندارند. در حال حاضر چهار گزینه در این خصوص وجود دارد که هر یک مزایا و نقاط ضعف منحصر به خود را دارند:

- آدرس دهی ثابت Static IP Address) IP )

- پروتکل پیکربندی پویای میزبان (Dynamic Host Configuration Protocol  :DHCP)

- پروتکل تونل‌زنی لایه2 Layer 2 Tunneling Protocol :L2TP)

- پروتکل نقطه به نقطه  روی PPPoA) ATM ) و روی PPPoE) Ethernet)

Ÿ گزینه اول (آدرس دهی ثابت IP)
اولین و در واقع ابتدایی‌ترین راه حل، تخصیص یک آدرس IP به هر کاربر است که خود به تنظیم آن روی کامپیوتر خود اقدام می‌کند. این روش اساساً یک پروتکل نیست، تنها یک راه‌حل سریع برای مشکل است که از ابعادی گسترده برخوردار است. برای مثال، مشکل استفاده همزمان چند کامپیوتریک کاربر از ارتباط ADSL به این ترتیب حل نمی شود.

Ÿ گزینه دوم (DHCP)
این پروتکل اساساً برای این منظور طراحی شده است که پیکربندی IP را روی کامپیوتر کاربران به صورت خودکار انجام دهد. این پروتکل در شبکه‌های محلی سازمانی نیز از کاربرد گسترده‌ای برخوردار است؛ به‌‌ویژه در مورد پایانه‌هایی که به طور موقت به این شبکه‌ها متصل می‌گردند (برای مثال کامپیوترهای Laptop ،(DHCP  یک جهش محسوس نسبت به روش آدرس‌دهی ثابت محسوب می‌شود.

فرایند کار بسیار ساده و در عین حال کارامد است. هر بار که یک کامپیوتر متصل به شبکه دسترسی فعال می‌شود، به طور خودکار پارامترهای مربوط به IP (همچون آدرس) را از یک سرور مرکزی دریافت می‌کند. این معماری از انعطاف‌پذیری بالایی برخوردار است، امکان کار همزمان چند دستگاه PC، پشتیبانی از امکان جابه‌جایی محل استفاده کاربران،  سهولت پیکربندی از جانب کاربر و مدیریت آن از جانب فراهم‌کننده، از مزایای این پروتکل محسوب می‌گردند.

Ÿ گزینه سوم (L2TP)
این پروتکل به عنوان یک گزینه نسبتاً جدیدتر برای شبکه‌های دسترسی باندپهن مطرح شده است و با ایجاد یک تونل مجازی از داخل شبکه اینترنت کاربر را به هر نقطه مشخصی متصل می‌کند و کلیه تنظیمات لازم برای برقراری سرویس از داخل این تونل بر تجهیزات کاربر اعمال می‌گردد. L2TP در عمل یک شبکه مجازی یا
Virtual Private Network) VPN) روی شبکه فراهم کننده ایجاد می‌کند که از امنیت خوبی برخوردار است، ولی درعوض پیچیدگی و سرباره بیشتری دارد؛ به‌ویژه در شبکه‌های بزرگ دسترسی با چندین هزار کاربر، مدیریت این تونل‌ها دشوار خواهد بود.

Ÿ گزینه چهارم (PPP)
این پروتکل براساس پروتکلی بسیار موفق، موسوم به پروتکل نقطه به نقطه (Point to Point Protocol :PPP) شکل می‌گیرد، دو حالت متداول استفاده از این پروتکل در شبکه‌های دسترسی باند پهن عبارتند از: PPP روی اترنت
(PPPoE) و PPP روی PPPoA) ATM) که ترکیبی از آن‌ها موسوم به PPPoEoA نیز به کار گرفته شده است. PPP علاوه بر این‌که از انعطاف و سهولت در استفاده برخوردار است، سطحی از ایمنی را برای استفاده‌کننده فراهم می‌کند.

به همین خاطر معمولاً اولین گزینه بسیاری از فراهم‌کنندگان خدمات دسترسی باند پهن  به شمار می‌رود؛ هر چند به لحاظ قدمت دست کمی از خود اینترنت ندارد! (برای بار اول در سال 1989 تحت کدهای 1171و 1172 توسط سازمانIETF استاندارد گردید). این پروتکل تا به حال، چند مرتبه دستخوش اصلاح و ارتقا گردیده که آخرین آن مربوط به سال 1994 (استاندارد RFC 1661) است.

البته در شروع، PPP به منظور پروتکل ارتباطی میان تجهیزات مخابراتی (به‌ویژه مسیریاب‌ها) و روی خطوط متداول مخابراتی (همچون E1) پدید آمد و به همین منظور به سازوکار‌هایی جهت مقابله با کیفیت پایین این خطوط مجهز نشده و به صورت ارتباط‌گرا (Connection-Oriented) طرح گردیده است. این خصوصیت بر سطح ایمنی این پروتکل نیز تأثیر مثبت دارد؛ چرا که تمامی بسته‌ها لزوماً باید به یک آدرس مشخص ارسال گردند.

در اوایل دهه1990، PPP را به منظور کار روی خطوط تلفنی (dialup line) اصلاح نمودند. تفاوت اصلی، افزودن نوعی سازوکار دست به دست دادن (handshake) در شروع برقراری ارتباط میان طرفین ارتباط است. معمولاً در این‌گونه ارتباطات یک دستگاه موسوم به سرور دوردست (RAS)، معتبربودن کاربر را از روی شناسه و کلمه رمز وارد شده بررسی می‌کند و تنها پس از حصول اطمینان از مجاز بودن کاربر، فرایندهای لازم  جهت پیکربندی و تنظیم خودکار آدرس IP توسط PPP انجام می‌شود. وجود ویژگی‌های فوق باعث شده است، PPP عملاً به صورت جزء ثابتی از سیستم‌عامل ا‌غلب کامپیوترهای شخصی در دنیا درآید.

تمامی مزایای PPP روی خطوط تلفنی به سادگی در محیط دسترسی باند پهن نیز قابل استفاده است. البته فناوری‌های دسترسی همچون ADSL و مودم‌های کابلی برخلاف مدارات مخابراتی، از نوعی فرایند به‌اشتراک‌گذاری منابع استفاده می‌کنند و PPP در جهت کار در این محیط‌ها نیازمند برخی اصلاحات است. با توجه به این‌که مودم‌های ADSL بر پایه فناوری ATM کار می‌کنند، PPPoA که در سال 1998 تحت کد RFC 2304 استاندارد گردید، برای این منظور پیشنهاد شد.

در محیط شبکه دسترسی باند پهن به جای RAS عنصری موسوم به RAS) BRAS باند پهن) نقطه اختتام ارتباطاتPPP محسوب می‌گردد. این دستگاه که بعضاً به نام روتر تجمیع یا به سادگی تجمیع‌کننده (Aggregator) نیز نامیده می‌شوند معمولاً در دفاتر مرکزی شرکت‌های فراهم‌کننده خدمات قرار می‌گیرد و قادر به دریافت هزاران ارتباط PPPoA  به صورت یک‌جا می‌باشد.

برقراری ارتباط، مستلزم نصب نرم‌افزارهای پیچیده و کارت‌های رابط ATM روی کامپیوتر استفاده‌کننده است که معمولاً به منظور کاهش پیچیدگی از دیدگاه کاربر، عناصر فوق در مودم سمت کاربر تعبیه می‌گردند و ارتباط PPPoA  عملاً میان مودم ودستگاه BRAS اجرا می گردد. شکل 2 یک ارتباط PPPoA و ترکیب پروتکل‌های ارتباطی مورد استفاده را در هر یک از نقاط ارتباط نشان می‌دهد.

شکل 2- ترکیب پروتکل ها در ارتباطات مبتنی بر PPPoEoA

شکل 3 ترکیب پروتکل ها در ارتباطات مبتنی بر PPPoEoA

اجرای پروتکل PPPoA روی مودم سمت مشتری یعنی ATU-R شروع شده در BRAS در مرکز فراهم کننده خدمات خاتمه می‌یابد. یک ارتباط دائمی از نوع ATM موسوم به PVC وظیفه حمل اطلاعات را میان دو نقطه برعهده دارد.BRAS به نوبه خود تمامی PVCهای متصل به خود را در یک جریان IP ترکیب می‌کند که به روترهای شبکه اینترنت متصل می‌گردند.

استفاده از اترنت به جای ATM، در شبکه‌های دسترسی، منجر به ساده‌سازی کل فرایند می‌گردد. با توجه به وجود اتصال اترنتی روی اغلب کامپیوترهای شخصی (موسوم به ارتباط LAN) به تبدیل میان پروتکل‌ها نیازی نخواهد بود. گونه جدیدی از PPP به موسوم به PPPoE (استاندارد RFC 2304 در سال 1999) که معمولاً روی همان کامپیوتر شخصی اجرا می‌گردد، به این منظور پدید آمده است. فراهم‌کنندگان خدمات دسترسی این پروتکل را روی یک سی‌دی در اختیار مشتریان خود قرار می‌دهند که معمولاً همراه با مجموعه‌ای از نرم‌افزارهای کمکی به صورت یکجا عرضه می‌گردد.

یکی از مشکلات پروتکل PPPoA، حذف کامپیوتر شخصی استفاده کننده از مسیر PPP است. به شکلی که حتی پس از خاموش شدن این کامپیوتر از دیدگاه فراهم‌کننده خدمات هنوز هم ارتباط برقرار است و این امر علاوه بر اتلاف منابع، باعث برخی مشکلات امنیتی نیز می‌گردد. تنها راه‌حل، گسترش ارتباط PPP تا کامپیوتر مشتری است، ولی گزینه‌ افزودن کارت رابط ATM به PC، گران و پیچیده است.
 
راه حل بهتر، به کارگیری PPP روی اترنتی است که خود روی ATM اجرا می‌شود، یعنی PPPoEoA البته پروتکل PPPoEoA هنوز به صورت استاندارد درنیامده است. با این وجود، استفاده از آن در میان فراهم‌کنندگان خدمات دسترسی بسیار متداول گردیده است. در این حالت PC تنها نیازمند اجرای PPPoE است. این جریان در مودم به داخل ATM کپسوله شده و تا رسیدن به BRAS در همین شرایط باقی می‌ماند و در این نقطه پس از رهایی از ATM و اترنت، به صورت جریان IP وارد اینترنت می‌شود. شکل 3 ترکیبات پروتکلی را در این نوع ارتباط نشان می‌دهد.

	Static IP	DHCP	L2TP	PPPoA	PPPoE	PPPoEoA
تنظیم خودکار آدرس‌های IP		§	§	§	§	§
پشتیبانی از مودم‌های کابلی‌	§	§	§		§
پشتیبانی از مودم‌های DSL	§	§	§	§	§	§
امکان برقراری چند نشست ارتباطی‌			§	§	§	§
امکان کار با چند کامپیوتر	§	§	§		§	§
امکان گزینش شبکه‌			§	§	§	§
کنترل کیفیت ارتباط‌				§		§
لزوم استفاده از نرم افزار سمت استفاده‌کننده‌			§		§	§
امکان تعیین هویت استفاده‌کننده‌			§	§	§	§
جدول 1- مقایسه مشخصات پروتکل‌های شبکه دسترسی

مقایسه گزینه‌ها با یکدیگر
هر یک از ترکیبات بررسی شده در این نوشتار، گونه‌ای از اتصال به اینترنت را نشان می دهند که دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. جدول 1 خلاصه‌ای از مشخصات این ترکیبات را نشان می‌دهد. البته فراهم‌کنندگان خدمات دسترسی برحسب مدل تجاری خود یک یا چند ترکیب را انتخاب می‌کنند که ترکیبات مبتنی‌بر PPP معمولاً یکی از آن‌هاست.