Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация.

Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети благодаря ее разделению на домены коллизий или широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использую-

щих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т.д. Нередко мар-

шрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.

В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное (аппаратное) устройство, так и обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора.

Классификация сетей с коммутацией пакетов выглядит следующим образом.

–Дейтаграммные сети.

–Сети с установление логических соединений:

сети с установлением логических соединений без фиксации маршрутов;

сети с установлением виртуальных каналов.

При дейтаграммной передаче соединение не устанавливается, и все передаваемые пакеты продвигаются (передаются от одного узла сети другому) независимо друг от друга на основании одних и тех же правил. Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети (например, в зависимости от нагрузки сети и приоритета пакета последний может стоять в очереди на обслуживание большее или меньшее время).

Однако никакая информация об уже переданных пакетах сетью не хранится и в ходе обработки очередного пакета во внима-

71

ние не принимается. То есть каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи – дейтаграмма.

Передача с установлением соединения более надежна, но требует больше времени для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов. В этом случае узлу-получателю отправляется служебный кадр специального формата с предложением установить соединение.

Если узел-получатель согласен, то он посылает в ответ служебный кадр, подтверждающий установление соединения и предлагающий для данного логического соединения некоторые протокольные параметры. Это может быть идентификатор соединения или максимальное значение поля данных кадров, которые будут использоваться в рамках данного соединения, и т.п.

Узел-инициатор соединения завершает процесс установления соединения отправкой третьего служебного кадра с подтверждением предложенных параметров.

На этом логическое соединение считается установленным, и в его рамках можно передавать информационные кадры с пользовательскими данными. После передачи некоторого законченного набора данных, например определенного файла, узел инициирует разрыв данного логического соединения, посылая соответствующий служебный кадр.

Сравнение сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов позволяет сделать определенные выводы.

Достоинства коммутации пакетов:

высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика;

возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов:

неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях сети зависят от общей загрузки сети;

72

переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети;

возможные потери данных из-за переполнения буферов. Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы

обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные, как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа.

3.1. Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга.

Выбор интерфейса, на который надо передать поступивший пакет, происходит только на основании адреса назначения, содержащегося в заголовке пакета. Принадлежность пакета к определенному информационному потоку никак не учитывается (реализация принципа независимости пакетов).

Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации (обобщенный термин в данном случае обозначает таблицу маршрутизации), содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий по маршруту (транзитный или конечный) узел коммутации.

Напомним, что в разных технологиях для обозначения таблиц, имеющих указанное выше функциональное назначение, могут использоваться другие термины (таблица маршрутизации, таблица продвижения и др.).

Таблица коммутации (маршрутизации) дейтаграммной сети должна содержать записи обо всех адресах, куда могут быть направлены пакеты, поступающие на интерфейсы коммутатора. А они в общем случае могут быть адресованы любому узлу сети.

73

Для снижения размерности таблиц маршрутизации (ТМ) на практике используются приемы, уменьшающие число записей в таблице, например, иерархическая адресация. В этом случае таблица коммутации может содержать и анализировать в приходящих адресах только старшие части адресов, которые соответствуют не отдельным узлам, а некоторой группе узлов (для их обозначения часто применяют термин «подсеть»).

На рис. 3.2 приведена иллюстрация дейтаграммного принципа передачи пакетов.

Рис. 3.2. Иллюстрация дейтаграммного принципа передачи пакетов

На коммутатор S1 приходит пакет с адресом N6 (т.е. он предназначен для компьютера N6). В таблице коммутации коммутатора S1 адресу N6 сопоставлен порт S6. Таблица коммутации коммутатора S1 приведена на рис. 3.3.

Дейтаграммный метод работает быстро, так как никаких предварительных действий, связанных, например, с установлением соединения, перед отправкой данных проводить не требуется. Однако при таком методе отправителю трудно проверить факт доставки пакета узлу назначения. Этот метод не гарантирует дос-

74

тавку пакета (т.е. отсутствует услуга подтверждения доставки сообщения получателю), он делает это по мере возможности.

Рис. 3.3. Таблица коммутации коммутатора S1

Для описания такого свойства используется термин «доставка с максимальными усилиями» (best effort). Например, восстановление сообщения из-за потерянных сегментов или пакетов делается не транспортным, а прикладным уровнем (по мере возможности, т.е. если предусмотрено).

3.2. Передача с установлением логического соединения

Передача с установлением логического соединения основывается на знании «предыстории» обмена и благодаря наличию сигналов обратной связи (подтверждения и запросов) управляет процессом передачи данных по сети. Это позволяет более рационально по сравнению с дейтаграммным способом обрабатывать пакеты. Например, при потере нескольких предыдущих пакетов может быть снижена скорость отправки последующих. Или бла-

75

годаря нумерации пакетов и отслеживанию номеров отправленных и принятых пакетов, принадлежащих одному сообщению, можно повысить надежность путем отбрасывания дубликатов, упорядочивания поступивших и повторения передачи потерянных пакетов.

Все указанные выше способы повышения надежности обмена данными становятся возможными, как отмечалось выше, благодаря наличию сигналов обратной связи(подтверждения и запросов) на разных уровнях сети.

Таким образом, в этом виде обмена имеет место адаптация параметров передачи (в том числе и маршрута движения) к изменяющимся в течение сеанса условиям передачи, вплоть до изменения первоначального маршрута передачи.

На рис. 3.4 показана диаграмма обмена в сети с установлением логического соединения

Рис. 3.4 Диаграмма обмена в сети с установлением логического соединения (пакет содержит полный адрес)

Из этой диаграммы видно, что передача с установлением логического соединения более надежна, но требует больше времени для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов.

76

В отличие от передачи дейтаграммного типа, в которой поддерживается только один тип кадра – информационный, передача с установлением соединения должна поддерживать как минимум два типа кадров – информационные, переносящие собственно пользовательские данные, служебные, обслуживающие информационные кадры (подтверждение, запрос), и служебные, предназначенные для установления (разрыва) соединения.

3.3. Передача с установлением виртуального соединения

Виртуальные каналы (Virtual Circuit, или Virtual Channel) –

это устойчивые пути следования трафика, создаваемые в сети с коммутацией пакетов (т.е. коммутация с фиксацией маршрута).

Виртуальные каналы являются базовой концепцией технологий Х.25, Frame Relay и ATM, сюда же могут относиться техноло-

гии PDH и SDH.

Техника виртуальных каналов учитывает существование в сети мультисервисных потоков данных. Для того чтобы выделить поток данных из общего трафика, каждый пакет этого потока помечается меткой. Данная метка отмечает принадлежность потока данных к определенному виртуальному каналу с индивидуальными показателями качества.

Эта метка в различных технологиях называется по-разному: номером логического канала (Logical Channel number, LCN) в технологии Х.25, идентификатором соединения уровня канала дан-

ных (Data Link Connection Identifier, DLCI) в технологии Frame Relay, идентификатором виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI) в технологии ATM.

Так же как в сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла источника запроса, называемого также пакетом установления соединения.

В запросе указывается полный адрес назначения и локальная метка потока, для которого прокладывается этот виртуальный канал (с использованием типовых алгоритмов маршрутизации). За-

77

прос, проходя по сети, формирует (на прямой фазе) новую запись в каждом из коммутаторов, расположенных на пути от отправителя до получателя. Запись говорит о том, каким образом коммутатор должен обслуживать пакет, имеющий заданную метку (в частности, с какими показателями QoS, при этом ресурсы резервируются на обратной фазе установления VC).

Образованный виртуальный канал идентифицируется той же меткой. Например, в протоколах MPLS и RZVP, обеспечивающих необходимое качество обслуживания потоков в мультисервисных системах, выделяют две фазы в процессе установления соединения с резервированием ресурсов сети для обеспечения требуемого качества передачи: прямую, в которой заказываются ресурсы, и обратную, в которой решается вопрос, может ли сеть в данном сеансе связи удовлетворить этот запрос на ресурсы.

После прокладки виртуального канала сеть может передавать по нему соответствующий поток данных. Во всех пакетах, которые переносят пользовательские данные, адрес назначения уже не указывается, его роль играет метка виртуального канала (в отличие от технологии коммутации логических соединений уже нет необходимости передавать полный формат адреса – 4–6 байтов в каждом пакете).

При поступлении пакета на входной интерфейс коммутатор читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, по которой определяет, на какой выходной порт передать пришедший пакет и с каким качеством его следует обслужить.

Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы, отличается от таблицы коммутации в дейтаграммных сетях. Она содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения, как это имеет место в таблицах маршрутизации в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения.

Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше общего количества

78

узлов, поэтому и таблицы коммутации в этом случае намного короче, а следовательно, анализ такой таблицы занимает у коммутатора меньше времени. Заметим, что виртуальный канал создается только на сеанс связи, поэтому их количество существенно меньше полного множества конечных узлов назначения. По этой же причине метка короче полного адреса конечного узла, и заголовок пакета в сетях с виртуальными каналами переносит по сети вместо длинного адреса компактный идентификатор потока.

На рис. 3.5 приводится сеть с коммутацией виртуальных каналов (VC).

Рис. 3.5. Иллюстрация принципа работы виртуального канала

Следует обратить внимание, что на фазе установления соединения, т.е. выбора маршрута, работают алгоритмы маршрутизации и заполняются ТМ (при этом анализируются полные адреса узлов назначения, содержащиеся в служебных пакетах установления соединения или выбора маршрута), а затем в проложенном фиксированном маршруте устанавливаются виртуальные каналы с требуемыми ресурсами и заполняются таблицы коммутации (ТК) (при этом в ТК обрабатываются и анализируются VCI, приписанные к сформированным виртуальным каналам (VC).

79

На фазе обмена данными коммутация виртуальных каналов или рабочих информационных потоков (пакетов) осуществляется по VCI с использованием только таблиц коммутации (ТК).

3.4. Сравнительный анализ сетей с КК и КП

Пусть пользователю сети необходимо передать достаточно неравномерный трафик, состоящий из периодов активности и пауз. Представим также, что он может выбрать, через какую сеть, с коммутацией каналов или пакетов, передавать ему свой трафик, причем

вобеих сетях производительность каналов связи одинакова. Очевидно, что более эффективной с точки зрения временных затрат для пользователя была бы работа в сети с коммутацией каналов, где ему

вединоличное владение предоставляется зарезервированный канал связи(рассматриваетсятолькофазаобменаданными).

При этом способе все данные поступали бы адресату без задержки. Тот факт, что значительную часть времени зарезервированный канал будет простаивать (во время пауз), нашего пользователя не волнует – ему важно быстро и качественно решить собственную задачу.

Рассмотрим более детально механизм возникновения задержек при передаче данных в сетях обоих типов. Пусть от конечного узла N1 отправляется сообщение к конечному узлу N2 (рис. 3.6). На пути передачи данных расположены два коммутатора.

Всети с коммутацией каналов данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на стандартной для канала скорости. Время доставки данных адресату

равно сумме времени распространения сигнала в канале tprg и времени передачи сообщения в канал ttrns. Наличие коммутаторов в сети с коммутацией каналов никак не влияет на суммарное время прохождения данных через сеть, так как после установления соединения они прозрачны.

Время распространения сигнала зависит от расстояния между абонентами L и скорости S распространения электромагнитных

80