|
|
Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
виртуальным каналом (virtual circuit, или virtual channel).
Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. С целью выделения потока данных из общего трафика каждый пакет этого потока помечается признаком особого вида – меткой.
Как и в сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки узлом-источником специального пакета – запроса на установление соединения. В запросе указываются адрес назначения и метка потока, для которого прокладывается этот виртуальный канал. Запрос, проходя по сети, формирует новую запись в таблице каждого из коммутаторов, расположенных на пути от отправителя до получателя. Запись говорит о том, каким образом коммутатор должен обслуживать пакет, имеющий заданную метку. Образованный виртуальный канал идентифицируется той же меткойXIII. 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. 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.
На рис. 3.11 показана сеть, в которой проложено два виртуальных канала, идентифицируемых метками VC1 и VC2. Первый проходит от конечного узла с адресом N1 до конечного узла с адресом Лг2 через промежуточные коммутаторы 51, 52 и 54. Второй виртуальный канал VC2 обеспечивает продвижение данных по пути N1-51-53-55-N3. В общем случае между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных каналов, например, еще один виртуальный канал между узлами М и N2 мог бы проходить через промежуточный коммутатор 53. На рисунке показаны два пакета, несущие в своих заголовках метки потоков VC1 и VC2, которые играют роли адресов назначения.
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 сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения. Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше общего количества узлов, поэтому таблицы коммутации в этом случае намного короче и, следовательно, анализ такой таблицы занимает у коммутатора меньше времени. По той же причине метка короче адреса конечного узла, и заголовок пакета в сетях с виртуальными каналами переносит по сети вместо длинного адреса компактный идентификатор потока.
ПРИМЕЧАНИЕ
Использование в сетях техники виртуальных каналов не делает их сетями с коммутацией каналов. Хотя в подобных сетях также применяется процедура предварительного установления канала, этот канал является виртуальным, то есть по нему передаются отдельные пакеты, а не потоки информации с постоянной скоростью, как в сетях с коммутацией каналов.
В одной и той же сетевой технологии могут быть задействованы разные способы продвижения данных. Так, для передачи данных между отдельными сетями, составляющими Интернет, используется дейтаграммный протокол IP. В то же время обеспечением надежной доставки данных между конечными узлами этой сети занимается протокол TCP, устанавливающий логические соединения без фиксации маршрута. И наконец, Интернет – это пример сети, применяющей технику виртуальных каналов, так как в состав Интернета входит немало сетей MPLS, поддерживающих виртуальные каналы.
Коммутация каналов
|
Коммутация пакетов
|
Необходимо предварительно устанавливать соединение
|
Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ)
|
Адрес требуется только на этапе установления соединения
|
Адрес и другая служебная информация передаются с каждым пакетом
|
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения
|
Сеть всегда готова принять данные от абонента
|
Гарантированная пропускная способность (полоса пропускания) для взаимодействующих абонентов
|
Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
|
Трафик реального времени передается без задержек
|
Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
|
Высокая надежность передачи
|
Возможны потери данных из-за переполнения буферов
|
Нерациональное использование пропускной способности каналов, снижающее общую эффективность сети
|
Автоматическое динамическое распределение пропускной способности физического канала между абонентами
|
Транспортная аналогия для сетей с коммутацией пакетов и каналов
Для начала убедимся, что движение на дорогах имеет много общего с перемещением пакетов в сети с коммутацией пакетов.
Пусть автомобили в этой аналогии соответствуют пакетам, дороги – каналам связи, а перекрестки – коммутаторам. Подобно пакетам, автомобили перемещаются независимо друг от друга, разделяя пропускную способность дорог и создавая препятствия друг другу.
Слишком интенсивный трафик, не соответствующий пропускной способности дороги, приводит к перегруженности дорог, в результате автомобили стоят в пробках, что соответствует очередям пакетов в коммутаторах.
На перекрестках происходит «коммутация» потоков автомобилей, каждый из автомобилей выбирает подходящее направление перекрестка, чтобы попасть в пункт назначения. Конечно, перекресток играет намного более пассивную роль по сравнению с коммутатором пакетов. Его активное участие в обработке трафика можно заметить только на регулируемых перекрестках, где очередность пересечения перекрестка потоками автомобилей определяет светофор. Еще активнее, естественно, поведение регулировщика трафика, который может выбрать для продвижения не только поток автомобилей в целом, но и отдельный автомобиль. Как и в сетях с коммутацией пакетов, к образованию заторов на дорогах приводит неравномерность движения автомобилей. Так, даже кратковременное снижение скорости одного автомобиля на узкой дороге может создать большую пробку, которой бы не было, если бы все автомобили всегда двигались с одной и той же скоростью и равными интервалами.
Теперь попробуем найти общее у автомобильного движения и сетей с коммутацией каналов.
Иногда на дороге возникает ситуация, когда нужно обеспечить особые условия для движения колонны автомобилей. Например, представим, что очень длинная колонна автобусов перевозит детей из города в летний лагерь по многополосному шоссе. Чтобы колонна двигалась без препятствий, для ее движения заранее разрабатывается маршрут.
Затем на протяжении всего этого маршрута, который пересекает несколько перекрестков, для колонны выделяется отдельная полоса на всех отрезках шоссе. При этом полоса освобождается от другого трафика уже за некоторое время до начала движения колонны, а отменяется это резервирование только после того, как колонна достигает пункта назначения. Во время движения все автомобили колонны едут с одинаковой скоростью и приблизительно равными интервалами между собой, не создавая препятствий друг другу. Очевидно, что для колонны автомобилей создаются наиболее благоприятные условия движения, но при этом автомобили теряют свою самостоятельность, превращаясь в поток, из которого нельзя свернуть в сторону. Дорога при такой организации движения используется нерационально – полоса простаивает значительную часть времени, как и полоса пропускания в сетях с коммутацией каналов.
Структура задержек в сетях с коммутацией каналов и пакетов
Вернемся от автомобилей к сетевому трафику. 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 свой трафик, причем в обеих сетях производительность каналов связи одинакова. Очевидно, что более эффективной с точки зрения временных затрат для нашего пользователя была бы работа в сети с коммутацией каналов, где ему в единоличное пользование предоставляется зарезервированный канал связи. 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 решить собственную задачу.
Если бы пользователь обратился к услугам сети с коммутацией пакетов, то процесс передачи данных оказался бы более медленным, так как его пакеты, вероятно, не раз задерживались бы в очередях, ожидая освобождения необходимых сетевых ресурсов наравне с пакетами других абонентов.
Давайте рассмотрим подробнее механизм возникновения задержек при передаче данных в сетях обоих типов. Пусть от конечного узла М отправляется сообщение к конечному узлу N2 (рис. 3.12). На пути передачи данных расположены два коммутатора.
В сети с коммутацией каналов данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на стандартной для канала скорости. Время доставки данных адресату Травно сумме времени распространения сигнала в канале £prg (prg – propagation) и времени передачи сообщения в канал ttrns (trns – transmission), называемого также временем сериализации.
Наличие коммутаторов в сети с коммутацией каналов никак не влияет на суммарное время прохождения данных через сеть.
ПРИМЕЧАНИЕ
Заметим, что время передачи сообщения в канал в точности совпадает со временем приема сообщения из канала в буфер узла назначения, то есть временем буферизации.
Время распространения сигнала зависит от расстояния между абонентами L и скорости Sраспространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме:
^prg L/S.
Время сериализации (а значит, и время буферизации в узле назначения) равно отношению объема сообщения V в битах к пропускной способности канала С в битах в секунду:
*trns = V/C
В сети с коммутацией пакетов передача данных не требует обязательного установления соединения. Предположим, что в сеть, показанную на рис. 3.13, передается сообщение того же объема V, что и в предыдущем случае (см. рис. 3.12), однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Пакеты передаются от узла ЛИ узлу Л^2, между которыми расположены два коммутатора. На каждом коммутаторе каждый пакет изображен дважды: в момент прихода на входной интерфейс и в момент передачи в сеть с выходного интерфейса. Как видим, коммутатор задерживает пакет на некоторое время. Здесь Т\ – время доставки адресату первого пакета сообщения, a 7ps – всего сообщения.
Сравнивая временное диаграммы передачи данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов, отметим два факта:
значения времени распространения сигнала (£prg) в одинаковой физической среде на одно и то же расстояние одинаковы;
учитывая, что значения пропускной способности каналов в обеих сетях одинаковы, значения времени передачи сообщения в канал (^ms) будут также равны.
Однако разбиение передаваемого сообщения на пакеты с последующей их передачей по сети с коммутацией пакетов приводит к дополнительным задержкам. Проследим путь первого пакета и отметим, из каких составляющих складывается время его передачи в узел назначения и какие из них специфичны для сети с коммутацией пакетов (рис. 3.14).
Время передачи одного пакета от узла Ml до коммутатора 1 можно представить в виде суммы нескольких слагаемых.
Во-первых, время тратится в узле-отправителе Ml:
О £i – время формирования пакета, также называемое временем пакетизации (зависит от различных параметров работы программного и аппаратного обеспечения узла- отправителя и не зависит от параметров сети);
О t2 – время передачи в канал заголовка;
О £3 – время передачи в канал поля данных пакета.
Во-вторых, дополнительное время тратится на распространение сигналов по каналам связи. Обозначим через время распространения сигнала, представляющего один бит информации, от узла Ml до коммутатора 1.
□ В-третьих, дополнительное время тратится в промежуточном коммутаторе:
О Р – время приема пакета с его заголовком из канала во входной буфер коммутатора; как отмечено, это время равно (Z7 + С), то есть времени передачи пакета с заголовком в канал из узла источника;
О Гб – время ожидания пакета в очереди, колеблется в очень широких пределах и заранее не известно, так как зависит от текущей загрузки сети;
О t7 – время коммутации пакета при его передаче в выходной порт, фиксировано для конкретной модели и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд).
Обозначим через 7’vi .si время передачи пакета из узла Ni на выходной интерфейс коммутатора 1. Это время складывается из следующих составляющих:
7лг1-51= t\ + + ts+16+ ti.
Обратите внимание, что среди слагаемых отсутствуют составляющие С и Из рис. 3.14 видно, что передача битов из передатчика в канал совмещается по времени с передачей битов по каналу связи.
Время, затрачиваемое на оставшиеся два отрезка пути, обозначим соответственно Ts\-S2 и Tsi-ni. Эти величины имеют такую же структуру, что и 7дп-^i, за исключением того, что в них не входит время пакетизации, и кроме того, Ts2-N2 не включает время коммутации (так как отрезок заканчивается конечным узлом). Итак, полное время передачи одного пакета по сети составляет:
Т[ = TNi-Si+ TS\-$2 + Ts2-N2-
Чему же будет равно время передачи сообщения, состоящего из нескольких пакетов? Сумме времен передачи каждого пакета? Конечно, нет! Ведь сеть с коммутацией пакетов работает как конвейер (см. рис. 3.13): пакет обрабатывается в несколько этапов, причем все устройства сети выполняют эти этапы параллельно. Поэтому время передачи такого сообщения будет значительно меньше, чем сумма значений времени передачи каждого пакета сообщения. Точно рассчитать это время сложно из-за неопределенности состояния сети и вследствие этого неопределенности значений времени ожидания пакетов в очередях коммутаторов. Однако если предположить, что пакеты стоят в очереди примерно одинаковое время, то общее время передачи сообщения, состоящего из п пакетов, можно оценить следующим образом:
Tps= Т[ + (п - 1) (Г1 + Г5).
Количественное сравнение задержек. Пример
В качестве иллюстрации решим задачу о сравнении скоростей работы сетей с коммутацией каналов и пакетов для частного примера, сделав некоторые предположения о необходимых исходных данных. Пусть, например, нам известно следующее:
Объем V сообщения, передаваемого в обоих видах сетей, составляет 107 байт.
Отправитель N1 находится от получателя N2 на расстоянии L= 5000 км.
Скорость S распространения сигнала составляет 200 000 км/с (2/3 скорости света).
Пропускная способность линий связи С составляет 100 Мбит/с.
Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала и времени передачи сообщения в канал. Будем считать, что канал постоянный, то есть он уже скоммутирован, так что время установления соединения равно нулю.
Время распространения сигнала для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (5000 км/200 000 км/с = 0,025 с).
Время передачи сообщения в канал при пропускной способности 100 Мбит/с и размере сообщения 10 000 000 байт равно: (107 х 8 бит)/(108 бит/с) = 8 х 10 1 = 0,8(с) = 800 мс.
То есть передача всех данных абоненту N2 в сети с коммутацией каналов занимает 825 мс.
Теперь подсчитаем время передачи такого же объема данных – 107 байт – в сети с коммутацией пакетов, считая, что:
Пропускная способность линий связи имеет то же значение – 100 Мбит/с.
Число промежуточных коммутаторов (51-510) равно десяти.
Исходное сообщение разбивается на пакеты по 103 байт с заголовком 40 байт.
Интервалы (ti) между всеми пакетами одинаковы и равны 100 мкс.
Времена коммутации (ty) на каждом коммутаторе одинаковы и равны 50 мкс.
Т/л-51 = 100 мкс + t/1'! + 83 мкс + 50 мкс = 233 мкс + М”.
Время Tsi-S2 передачи первого пакета от коммутатора 51 до коммутатора 52 отличается отсутствием составляющей t\ = 100 мкс (пакет уже сформирован) и значением составляющей которая зависит от расстояния Ly между коммутаторами 51 и 51. Отразим этот факт в обозначении 14<2).
С учетом сказанного выше имеем Ts\-sy = 133 мкс +
Аналогично время передачи данных между каждой парой соседних коммутаторов можно представить в виде: T$i-si+1 = 133 мкс + t^i+ *>, где i изменяется от 1 до 10.
Время TsiQ-m передачи первого пакета от коммутатора S10 до конечного узла N2 отличается от времени передачи данных между коммутаторами отсутствием составляющей ty= 50 мкс (в конечном узле отсутствует операция коммутации) и значением составляющей 11 >, которая зависит от расстояния £11 между коммутатором 510 и конечным узлом N2.
С учетом сказанного выше имеем 7/ю му= 83 мкс +
Теперь найдем суммарное время Т\ прохождения первого пакета от узла N1 до узла N2.
Т\ = Tsh-si + Тя-52 + + T/io-N2= 233 мкс + (133 мкс) *9 + 83 мкс + ££4<'> =
= 1513 мкс + ( Е £| )/5,
где i изменяется от 1 до И. Сумма расстояний между всеми соседними узлами и коммутаторами равна расстоянию £ между источником и приемником, то есть те же 5000 км, что и в сети с коммутацией каналов. Отсюда получаем полное время передачи первого пакета:
|
|
|
Скачать 5.49 Mb.