Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
Рис. 5.19. Контроль допуска потока Рис. 5.20. Выделение зарезервированной пропускной способности этот механизм не является обязательным, так как сам механизм взвешенных очередей ограничит пропускную способность потока в нужных пределах в периоды перегрузок, когда все взвешенные очереди заполняются полностью. Для той же цели можно задействовать приоритетные очереди. Применение приоритетной очереди может оказаться необходимым, если потоку, помимо определенного уровня пропускной способности, требуется обеспечить и минимально возможный уровень задержек пакетов. При использовании приоритетной очереди профилирование необходимо всегда, так как приоритетный механизм не обеспечивает ограничения скорости потока, что может позволить приоритетному потоку захватить весь ресурс. Нужно подчеркнуть, что резервирование приводит к ожидаемым результатам только в тех случаях, когда реальная средняя скорость потоков, для которых было выполнено резервирование, оказывается не выше, чем пропускная способность, запрошенная при резервировании и реализованная при конфигурировании сетевых устройств. В противном случае результаты могут оказаться даже хуже, чем при наличии единственной очереди «по умолчанию» и обслуживании «по возможности». Так, если скорость потока окажется выше, чем предел, учитываемый механизмом профилирования, то часть пакетов будет отброшена даже в том случае, если устройство не перегружено и могло бы отлично справиться с предложенным трафиком без применения механизмов QoS. Обеспечение заданного уровня задержек При описании процедуры резервирования пропускной способности мы сфокусировались на механизмах выделения пропускной способности некоторому потоку и оставили без внимания один важный вопрос: какую пропускную способность должен запрашивать поток для того, чтобы задержки его пакетов не превышали некоторой величины? Единственное соображение, которое было высказано по этому поводу, заключалось в том, что запрашиваемая пропускная способность должна быть выше, чем средняя скорость потока, иначе значительная часть пакетов просто может постоянно отбрасываться сетью, так что качество обслуживания окажется гарантированно низким. Этот вопрос на самом деле оборачивается сложной проблемой, так как мы не можем, например, сконфигурировать очередь приоритетного или взвешенного обслуживания так, чтобы она строго обеспечила какой-либо заранее заданный порог задержек и их вариации. Направление пакетов в привритетную очередь только позволяет гарантировать, что задержки будут достаточно низкими – существенно ниже, чем у пакетов, которые обрабатываются в очереди по умолчанию. Мы также знаем, что при наличии взвешенных очередей задержки будут снижаться со снижением относительного коэффициента использования пропускной способности, отведенной очереди. Все сказанное относится к качественным характеристикам задержек, а вот количественно оценить их значение очень сложно. Каким же образом поставщик услуг может выполнить свои обязательства перед клиентами? Очень «просто» - он должен постоянно измерять фактические значения характеристик трафика в сети и гарантировать пользователям сети величины задержек в соответствии с наблюдаемыми результатами. На практике постоянный мониторинг задержек и потерь пакетов требует установки в сети большого количества агентов-измерителей, хорошо синхронизированных друг с другом, а также программной системы регистрации и анализа измерительной информации. Инжиниринг трафика При рассмотрении системы обеспечения качества обслуживания, основанной на резервировании, мы не стали затрагивать вопрос маршрутов следования потоков через сеть. Точнее, мы исходили из того, что маршруты каким-то образом выбраны, причем этот выбор делается без учета требований QoS. И в условиях заданности маршрутов мы старались обеспечить прохождение по этим маршрутам такого набора потоков, для которого можно гарантировать соблюдение требований QoS. Очевидно, что задачу обеспечения требований QoS можно решить более эффективно, если считать, что маршруты следования трафика не фиксированы, а также подлежат выбору. Это позволило бы сети обслуживать больше потоков с гарантиями QoS при тех же характеристиках самой сети, то есть пропускной способности каналов и производительности коммутаторов и маршрутизаторов. Задачу выбора маршрутов для потоков (или классов трафика) с учетом требований QoS решают методы инжиниринга трафика (Traffic Engineering). С помощью этих методов стремятся по возможности сбалансированно загрузить все ресурсы сети, чтобы сеть при заданном уровне качества обслуживания обладала как можно более высокой суммарной производительностью. Методы инжиниринга трафика не только позволяют найти рациональный маршрут для потока, но и резервируют для него ресурсы, главным образом пропускную способность устройств сети вдоль этого маршрута. Недостатки традиционных методов маршрутизации В сетях с коммутацией пакетов традиционные протоколы маршрутизации осуществляют выбор маршрута на основе топологии сети без учета ее текущей загрузки. Для каждой пары «адрес источника – адрес назначения» такие протоколы выбирают единственный маршрут, не принимая во внимание информационные потоки, протекающие через сеть. В результате все потоки между парами конечных узлов сети идут по кратчайшему (в соответствии с некоторой метрикой) маршруту. Выбранный маршрут может быть более рациональным, например, если в расчет принимается номинальная пропускная способность каналов связи или вносимые ими задержки, или менее рациональным, если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов между исходным и конечным узлами. Классическим примером неэффективности такого подхода является так называемая «рыба» – сеть с топологией, приведенной на рис. 5.21. Несмотря на то что между коммутаторами А и Е существует два пути (верхний – через коммутатор В, нижний – через коммутаторы С и D). весь трафик от коммутатора Л к коммутатору Е в соответствии с традиционными принципами маршрутизации направляется по верхнему пути. Только потому, что нижний путь немного (на один ретрансляционный участок) длиннее, чем верхний, он игнорируется, хотя мог бы работать «параллельно» с верхним путем. Налицо явная ущербность разделения ресурсов сети между потоками – одни ресурсы работают с перегрузкой, а другие при этом не используются вовсе. Традиционные ме тоды борьбы с перегрузками эту проблему решить не могут, нужны качественно иные механизмы.  Методы инжиниринга трафика Исходными данными для методов инжиниринга трафика являются: характеристики передающей сети; сведения о предложенной нагрузке сети. К характеристикам передающей сети относится ее топология, а также производительность составляющих ее коммутаторов и линий связи. Предполагается, что производительность процессора каждого коммутатора достаточна для обслуживания трафика всех его входных интерфейсов, даже если трафик поступает на интерфейс с максимально возможной скоростью, равной пропускной способности интерфейса. При таких условиях в качестве резервируемых ресурсов выступает пропускная способность линий связи между коммутаторами (рис. 5.22).  Сведения о предложенной нагрузке сети представляют собой информацию о потоках данных, которые сеть должна передать между своими пограничными коммутаторами. Каждый поток характеризуется точкой входа в сеть, точкой выхода из сети и профилем трафика. Для получения оптимальных решений желательно использовать детальное описание каждого потока, например, учитывать величину возможной пульсации трафика. Однако, как правило, учитываются только их средние скорости передачи данных (рис. 5.23).  Методы инжиниринга трафика чаще применяют не к отдельным, а к агрегированным потокам, которые являются объединением нескольких потоков. Так как мы ищем общий маршрут для нескольких потоков, то агрегировать можно только потоки, имеющие общие точки входа в сеть и выхода из сети. Агрегированное задание потоков позволяет упростить задачу выбора путей, так как при индивидуальном рассмотрении каждого пользовательского потока промежуточные коммутаторы должны хранить слишком большие объемы информации. Агрегирование отдельных потоков в один возможно только в том случае, когда все потоки, составляющие агрегированный поток, предъявляют одни и те же требования к качеству обслуживания. Далее в этом разделе мы будем для краткости пользоваться термином «поток» как для индивидуального потока, так и для агрегированного, поскольку принципы инжиниринга трафика от этого не меняются. Задача инжиниринга трафика состоит в определении маршрутов прохождения потоков через сеть, причем маршруты должны быть такими, чтобы ресурсы сети были загружены по возможности равномерно, а каждый поток получал требуемое качество обслуживания. Формально задача инжиниринга трафика может быть поставлена следующим образом: Решением задачи инжиниринга трафика является такой набор маршрутов для заданного множества потоков трафика, для которого все значения коэффициентов загрузки ресурсов вдоль маршрута следования каждого потока не превышают некоторого заданного порога Ктах. Максимальный уровень использования ресурсов Ктах выбирается таким образом, чтобы механизмы управления перегрузкой могли обеспечить требуемое качество обслуживания. Это означает, что для эластичного трафика максимальное значение выбирается не больше чем 0,9, а для чувствительного к задержкам трафика – не больше чем 0,5. Так как обычно резервирование производится не для всех потоков, нужно оставить часть пропускной способности для свободного использования. Поэтому приведенные максимальные значения обычно уменьшают до 0,75 и 0,25 соответственно. Для упрощения рассуждений будем полагать далее, что в сети передается один вид трафика, а далее покажем, как обобщить решение задачи инжиниринга для случая трафика нескольких типов. Решение задачи инжиниринга трафика можно искать заблаговременно, в фоновом режиме. Для этих целей должна быть разработана внешняя по отношению к сети программа, исходными данными для которой служат топология и производительность сети, а также предложенная нагрузка. Эта программа ищет оптимальное распределение маршрутов, например, путем направленного перебора вариантов. Задачу инжиниринга трафика можно решать в оперативном режиме, поручив ее самим коммутаторам сети. Для этого используются модифицированные стандартные протоколы маршрутизации. Модификация протоколов маршрутизации состоит в том, что они сообщают друг другу не только топологическую информацию, но и текущее значение свободной пропускной способности для каждого ресурса. После того как решение найдено, нужно его реализовать, то есть отразить в таблицах маршрутизации. Если мы вознамеримся проложить эти маршруты в дейтаграммной сети, то рискуем столкнуться с еще одной проблемой. Дело в том, что таблицы маршрутизации в них учитывают только адреса назначения пакетов. Коммутаторы и маршрутизаторы таких сетей (например, IP-сетей) не работают с потоками, поскольку для них поток в явном виде не существует, а каждый пакет при его продвижении является независимой единицей коммутации. В связи с этим методы инжиниринга трафика сегодня используются только в сетях с виртуальными каналами, для которых не составляет труда реализовать найденное решение для группы потоков. Работа в недогруженном режиме Как отмечалось, самым простым способом обеспечения требований QoS для всех потоков является работа сети в недогруженном режиме, или с избыточной пропускной способностью. Говорят, что сеть имеет избыточную пропускную способность, когда все части сети в любой момент времени обладают такой пропускной способностью, которой достаточно, чтобы обслужить все потоки трафика, протекающего в это время через сеть, с удовлетворительными характеристиками производительности и надежности. Другими словами, ни одно из сетевых устройств такой сети никогда не подвергается перегрузкам, которые могли бы привести к значительным задержкам или потерям пакетов из-за переполнения очередей пакетов (конечно, это не исключает случаев потерь сетью пакетов по другим причинам, не связанным с перегрузкой сети, например, из-за искажений сигналов в линиях связи либо отказов сетевых узлов или линий связи). Заметим, что приведенное определение сети с избыточной пропускной способностью намеренно упрощено, чтобы донести суть идеи. Более аккуратное определение должно было бы учитывать случайный характер протекающих в сети процессов и оперировать статистическими определениями событий. Например, оговаривать, что такие события, как длительные задержки или потери пакетов из-за переполнения очередей в сети с избыточной пропускной способностью, случаются настолько редко, что ими можно пренебречь. Простота обеспечения требований QoS за счет работы сети в недогруженном режиме является главным достоинством этого подхода – он требует только увеличения пропускной способности линий связи и, соответственно, производительности коммуникационных устройств сети. Никаких дополнительных усилий по исследованию характеристик потоков сети и конфигурированию дополнительных очередей и механизмов кондиционирования трафика здесь не требуется. Чтобы быть уверенными, что сеть обладает достаточной пропускной способностью для качественной передачи трафика, необходим постоянный мониторинг временных характеристик (задержек и их вариаций) процессов передачи пакетов сетью. А в том случае, когда результаты мониторинга начинают стабильно показывать ухудшение характеристик качества обслуживания, необходимо проводить очередную модернизацию сети и увеличивать пропускную способность линий связи и коммуникационных устройств. Однако мониторинг задержек и их вариаций является трудоемкой работой. Обычно операторы, которые хотят поддерживать свою сеть в недогруженном состоянии и за счет этого обеспечивать высокое качество обслуживания, просто осуществляют мониторинг уровня трафика в линиях связи сети, то есть измеряют коэффициент использования пропускной способности линий связи. При этом линия связи считается недогруженной, если ее коэффициент использования постоянно не превосходит некоторый достаточно низкий уровень, например 20-30 %. Имея такие значения измерений, можно считать, что линия в среднем не испытывает перегрузок, а, значит, сеть будет передавать трафик качественно. Для автоматического резервирования ресурсов маршрутизаторов (таких как пропускная способность интерфейсов, размеры буферов) в пределах, разрешенных политикой QoS для данной сети, в начале 90-х годов был разработан протокол резервирования ресурсов (ResourcereSerVationProtocol, RSVP). Этот протокол принимает запрос на резервирования ресурсов от приложения, работающего на узле сети, генерирующего некоторого поток пакетов. В запросе указываются параметры, рекомендуемые для качественной передачи сетью трафика этого приложения: верхнюю и нижнюю границы требуемой пропускной способности, максимальные значения задержки и ее вариации и т. и. Запрос передается в пакете протокола RSVP всем маршрутизаторам, расположенным вдоль пути потока между конечными узлами пути потока. Каждый маршрутизатор, получив запрос RSVP, проверяет, имеются ли у него ресурсы, необходимые для поддержания запрашиваемой пропускной способности и уровня QoS. Если запрос принимается, то маршрутизатор посылает запрос далее вдоль маршрута следующему маршрутизатору, а данные о требуемом уровне QoS передаются тем механизмам маршрутизатора, которые ответственны за управлением трафиком. Если все маршрутизаторы вдоль пути потока принимают запрос RSVP, то в сети устанавливается состояние резервирования для данного потока, так что пакеты потока, генерируемый узлом-отправителем, получают необходимый уровень обслуживания. Подробнее о протоколе RSVP можно прочитать в разделе «Протоколы IntServ и DiffServ. Поддержка QoS маршрутизаторами» на сайте авторов www.olifer.co.uk. Вопросы к части I Поясните, почему сети WAN появились раньше, чем сети LAN. Охарактеризуйте Интернет в соответствии с критериями классификации компьютерных сетей. В чем главное отличие многотерминальной системы от компьютерной сети? Дайте определения терминам «клиент», «сервер», «сетевая служба», «сетевой сервис», «сетевая услуга». Какой тип топологии наиболее распространен сегодня в локальных сетях? Укажите, какие параметры передаваемых данных могут служить признаком информационного потока: адрес назначения; адрес источника; тип приложения; номер интерфейса, на который поступил пакет. Какие из следующих утверждений всегда верны: скорость передачи данных может быть выше предложенной нагрузки (речь идет об одних и тех же данных); скорость передачи данных всегда ниже пропускной способности; пропускная способность никак не связана с предложенной нагрузкой; скорость передачи данных может быть ниже предложенной нагрузки. Можно ли организовать надежную передачу данных между двумя конечными узлами без установления логического соединения? Какое логическое соединение может быть названо виртуальным каналом? Укажите, какие из приведенных ниже утверждений верны при любых условиях: в сетях с коммутацией каналов необходимо предварительно устанавливать соединение; в сетях с коммутацией каналов не требуется указывать адрес назначения данных; сеть с коммутацией пакетов более эффективна, чем сеть с коммутацией каналов; сеть с коммутацией каналов предоставляет взаимодействующим абонентам гарантированную пропускную способность; данные, поступившие в составной канал, доставляются вызываемому абоненту без задержек и потерь; составной канал постоянно закрепляется за двумя абонентами; составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении. Какие свойства сетей с коммутацией каналов свидетельствуют об их недостатках? Какие свойства сетей с коммутацией пакетов негативно сказываются на передаче мультимедийной информации? Какие из следующих характеристик полностью определяются пропускной способностью канала: время коммутации пакета; время распространения сигнала; время ожидания пакета в очереди; время сериализации. Приведите расчеты, поясняющие значение элементарного канала цифровых телефонных сетей 64 Кбит/с. Пусть линия связи, подключающая абонента к телефонной сети, имеет пропускную способность 128 Кбит/с. Почему линия связи, соединяющая коммутаторы в этой сети, не может иметь пропускную способность 30 710 Кбит/с? Представим себе писателя, который пишет книгу и по мере готовности каждой новой главы посылает ее в издательство. Работая над главой 8, он получил от издателя письмо о том, что им не получена глава 5. Писатель еще раз послал письмо с главой 5, попросив в дальнейшем подтверждать получение каждой из следующих глав. Какой способ продвижения пакетов – дейтаграммный или метод с установлением логического соединения – ближе к описанному методу обмена почтовыми отправлениями? Из-за чего скорость передачи пользовательских данных в сетях с коммутацией пакетов всегда ниже пропускной способности каналов связи? Варианты ответов: из-за пульсаций трафика; из-за разделения линий связи с другими пользователями; из-за наличия заголовков у пакетов; из-за задержек на коммутаторах. Поясните, почему пакетный коммутатор имеет буферную память: для принятия решения о коммутации пакета требуется выполнить айализ заголовка пакета; коммутатор иногда не успевает обработать пакет до прихода следующего; для ускорения обработки пакетов их помещают в буферную память; скорость передачи данных в одной линии связи коммутатора выше, чем в другой. В чем сходство и различие составного и виртуального каналов? Пусть имеются пять различных методов передвижения объектов: доставка товаров по почте; движение автотранспорта; лесосплав; рассылка спама; движение городских автобусов. Укажите, какой из этих методов может служить аналогией для следующих методов продвижения в компьютерных сетях: дейтаграммная пакетная коммутация; коммутация каналов; пакетная коммутация на основе виртуальных каналов; пакетная коммутация на основе логических соединений. Какой из способов продвижения данных – коммутация каналов или коммутация пакетов, – по вашему мнению, более защищен от информационных атак? На каком уровне модели OSI работают сетевые службы? Приложения? Можно ли представить другой вариант модели взаимодействия сетевых средств, отличный от модели OSI и имеющий, например, шесть уровней? Всегда ли справедливо утверждение: «Протокол – это стандарт, формализованно описывающий правила взаимодействия двух систем, включая последовательность обмена сообщениями и их форматы»? Пусть на двух компьютерах установлено идентичное программное и аппаратное обеспечение, за исключением того, что драйверы сетевых адаптеров Ethernet поддерживают разные интерфейсы с вышележащим протоколом сетевого уровня IP. Будут ли эти компьютеры нормально взаимодействовать, если их соединить в сеть? Если протокольная единица данных (PDU) некоторого протокола инкапсулирована в PDU протокола k-ro уровня модели OSI, можно ли с уверенностью утверждать, что первый протокол относится к уровню k + 1? Какие преимущества дает следование открытым спецификациям? Вычислите значение стандартного отклонения и коэффициента вариации случайной задержки по гистограмме на рис. 5.3. Как можно уменьшить скорость потока пакетов? Если скорость потока, передаваемого по каналу с пропускной способностью 100 Гбит/с, равна 50 Гбит/с, чему равна скорость передачи отдельного пакета из этого потока? Пусть для передачи голоса используется дискретизация по времени с интервалом 25 мкс и дискретизация по значениям – 1024 градации звукового сигнала. Какая пропускная способность необходима для передачи полученного таким образом голосового трафика? Какой тип обслуживания целесообразно применить, если нужно обеспечить различную минимальную гарантированную способность трем классам трафика? Объясните причину возможного возникновения очередей даже при невысокой средней загрузке коммутаторов или маршрутизаторов сети с коммутацией пакетов. Укажите, какие из перечисленных приложений наиболее чувствительны к потерям пакетов, задержкам и/или вариациям задержек: файловый сервис; мультимедийные сервисы; электронная почта; текстовый редактор; программа управления роботом; широковещательная рассылка аудиоинформации. Может ли трафик передаваться с большими задержками, но без джиттера? К каким нежелательным последствиям может привести приоритетное обслуживание? Пусть в результате измерений было получено среднее значение времени оборота пакетов некоторого типа. Какие причины могут вызвать погрешность этой величины, если использовалась активная схема измерений? А если, наоборот, пассивная? Какой параметр трафика меняется при инжиниринге трафика? Пусть в коммутатор поступает поток данных, средняя скорость которого равна 10 000 пакетов в секунду, и пусть среднее время обработки пакета в коммутационном блоке равно 1 мкс. Нужен ли буфер для очереди перед коммутационным блоком? Пусть пропускная способность 1 Гбит/с выходного интерфейса коммутатора должна быть разделена между тремя классами трафика в отношении 1:4:15. Каким образом эта проблема может быть решена с использованием взвешенных очередей? Какой объем данных из каждой очереди должен выбираться при каждом просмотре, если цикл просмотра равен 100 мкс? Является ли коэффициент пульсации трафика количественной характеристикой? Как влияют профилирование и сглаживание на пиковую и среднюю скорость кондиционируемых потоков? Известно, что профилирование – один из механизмов повышения качества обслуживания. Известно также, что в процессе профилирования некоторые пакеты отбрасываются. Потери пакетов ухудшают качество обслуживания. Как объяснить это противоречие? Часть II Технологии физического уровня Глава 6. Линии связи Глава 7. Кодирование и мультиплексирование данных Глава 8. Технологии первичных сетей PDH и SDH Глава 9. Технологии первичных сетей DWDM и OTN В главе 6 рассматриваются различные типы линий связи и их характеристики. Сигналы, переданные по линии связи, приходят к приемнику с задержкой и искажениями, вызванными различными причинами. Так, скорость передачи данных ограничивается пропускной способностью линии. Искажения сигналов возникают в результате затухания мощности сигнала, ограниченности полосы пропускания и внешних и внутренних помех. Изучение этих характеристик базируется на аппарате спектрального представления электрических и оптических сигналов. Пропускная способность линии зависит от ее полосы пропускания и метода кодирования передаваемой по линии связи информации. Глава 7 посвящена методам кодирования аналоговой и дискретной информации. Эти методы различаются шириной спектра сигнала, полученного в результате кодирования, устойчивостью к шумам, способностью обнаруживать и исправлять битовые ошибки, некоторыми другими характеристиками. В этой же главе изучаются частотное, волновое и временное синхронное и асинхронное мультиплексирование каналов. Главы 8 и 9 посвящены технологиям первичных сетей PDH, SDH, DWDM и OTN. После изучения принципов построения компьютерных сетей в воображении читателя могла возникнуть достаточно простая картина компьютерной сети – компьютеры и коммутаторы, соединенные друг с другом отрезками кабеля. Однако при более детальном рассмотрении компьютерной сети все оказывается сложнее, чем казалось при изучении модели OSI. Дело в том, что цельные отрезки кабеля используются для соединения сетевых устройств только на небольших расстояниях, то есть в локальных сетях. При построении сетей WAN и MAN такой подход крайне расточителен из-за высокой стоимости протяженных линий связи такого рода. Поэтому гораздо чаще для связи коммутаторов в сетях WAN и MAN используются существующие первичные территориальные сети с коммутацией каналов. В этом случае в первичной сети создается составной канал, который для компьютерной или телефонной наложенной сети выполняет те же функции, что и отрезок кабеля, – обеспечивает физическое двухточечное соединение. Технологии первичных сетей существенно отличаются от технологий компьютерных пакетных сетей: они основаны на принципе коммутации каналов; имеют узкую специализацию – транспортировку данных; используют в качестве способа разделения передающей среды методы синхронного временного мультиплексирования каналов (сети PDH, SDH и OTN), а также мультиплексирования световых волн различной длины (сети DWDM). ГЛАВА 6 Линии связи Классификация линий связи Первичные сети, линии и каналы связи При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, причем во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в употреблении перечисленных терминов: |