Конспект лекций. Лекция История развития систем и сетей передачи данных Цель и задачи дисциплины, её место в направлении обучения и связь с другими дисциплинами. Цель преподавания дисциплины

• Название: Лекция История развития систем и сетей передачи данных Цель и задачи дисциплины, её место в направлении обучения и связь с другими дисциплинами. Цель преподавания дисциплины
• Дата: 21.09.2022
• Размер: 1.98 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций.docx
• Тип: Лекция; #689313
• страница: 6 из 11

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений лишь тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины L_n= const (кроме последнего блока: L_Kn), называемых пакетами (рис. 1.29), каждый из которых имеет структуру аналогичную структуре сообщений: заголовок, текст и, возможно, концевик. При этом, заголовки всех пакетов одного и того же сообщения содержат одни и те же адреса назначения и источника. Каждый пакет сообщения передаётся в сети как независимый блок данных в соответствии с адресом назначения, указанным в заголовке.



Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщении позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

• меньшее время доставки сообщения в сети;

• более эффективное использование буферной памяти в узлах;

• более эффективная организация надёжной передачи данных;

• среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

• задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений.
Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно.
Уменьшение времени доставки сообщений при коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи. Покажем это на следующем примере.

Положим, что сообщение длиной L передаётся от абонента А₁ к абоненту А₂ в сети с коммутацией сообщений так, как это показано на рис.1.28. В процессе передачи сообщение проходит через К каналов связи с одинаковыми пропускными способностями   промежуточных узла. Время передачи сообщения длиной L в одном канале с пропускной способностью С_кс будет равно:  .

Пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А₁ к абоненту А₂:   Положим теперь, что в рассматриваемой сети реализован принцип коммутации пакетов, и передаваемое от абонента А₁ к абоненту А₂ сообщение длиной L разбивается на п пакетов, длина каждого из которых равна   Тогда время передачи пакета в канале с пропускной способностью С_кс будет равно:   Как и ранее, пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А₁ к абоненту А₂. Очевидно, что первый пакет будет доставлен к абоненту А₂ за время   На момент доставки к абоненту А₂ первого пакета П₁ остальные пакеты П₂, П₃, П₄ сообщения, двигаясь по тому же маршруту, окажутся в промежуточных узлах, как это показано на рис. 1.30, а пакеты П₅, ..., П_n будут находиться в исходном узле у абонента А_1.



Дальнейшее перемещение пакетов приведёт к тому, что пакет П₂

окажется у абонента А₂ через время  . Аналогично,

пакет П₃ окажется у абонента А₂ через время  и т.д..

Последним к абоненту А₂ придёт пакет П_n через время



Таким образом, все п пакетов, а, следовательно, всё сообщение будут доставлены к абоненту А₂ за время 

Сравнивая времена доставки сообщения при использовании коммутации пакетов   и коммутации сообщении  ,

можно убедиться, что при   , т.е. время доставки сообщения

при коммутации сообщений больше времени доставки сообщения при использовании коммутации каналов в   раз.

 

Для значений К = 4 и п = 5 (четыре канала связи, как на рис. 1.30, и пять пакетов) получим, что время доставки сообщения при коммутации пакетов уменьшится в k = 2,5 раза по сравнению с коммутацией сообщений, а при разбиении исходного сообщения на 17 пакетов - в k = 3,4 раз. Легко убедиться, что при  выигрыш k во времени доставки стремится к К: k ->К, то есть максимально возможный выигрыш при коммутации пакетов определяется количеством каналов связи, через которые проходят пакеты.

Этот вывод очевиден, если учесть, что выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 1.31): когда пакет П₁ находится в канале КС₄, пакет П₂ передаётся по каналу КС₃, пакет П₃ - по каналу КС₂ и пакет П₄ - по каналу КС₁ что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём.

Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Еще больший выигрыш может быть получен, если передача пакетов одного того же сообщения осуществляется параллельно по разным маршрутам.

Представленные выше расчёты выигрыша во времени доставки сообщений при использовании коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений естественно являются упрощёнными, поскольку не учитывают задержки пакетов в узлах сети, а также дополнительные накладные расходы на передачу обрамления (заголовков и концевиков) пакетов. Несмотря на это, они достаточно убедительно показывают наличие такого выигрыша.

Более эффективное использование буферной памяти при коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений обусловлено тем, что размер буфера строго фиксирован и определяется максимально допустимой (фиксированной) длиной передаваемых пакетов, которая может составлять от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. За счёт этого достигается более высокая загрузка одного буфера, которая при передаче длинных сообщений близка к единице и, как следствие, более высокая загрузка всей буферной памяти узла.

Более эффективная организация надежной передачи данных, по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем вышеуказанный эффект.

Задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений, которая складывается из следующих составляющих:

• приём (запись) поступающего блока данных (пакета или сообщения) во входной буфер узла;

• подсчёт и проверка контрольной суммы блока данных;

• передача блока данных из входного буфера в выходной буфер;

• ожидание освобождения выходного канала, занятого передачей ранее поступивших блоков данных;

• передача данных в выходной канал связи и освобождение выходного буфера узла.

Очевидно, что все эти задержки пропорциональны длине блока данных.

Несмотря на очевидные достоинства, коммутации пакетов присущи недостатки, которые состоят в следующем:

• большие накладные расходы на передачу и анализ заголовков всех пакетов сообщения, что снижает эффективную (реальную) пропускную способность канала связи, используемую непосредственно для передачи данных, и, следовательно, увеличивает время доставки сообщения в сети, в том числе и за счёт дополнительных затрат времени на обработку заголовков пакетов в узлах сети;

• необходимость сборки из пакетов сообщения в узле назначения может существенно увеличить время доставки сообщения конечному абоненту за счёт ожидания прихода всех пакетов сообщения, поскольку в случае потери хотя бы одного пакета, сообщение не сможет быть собрано в конечном узле сети; при этом возникает серьёзная проблема, связанная с определением предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле; при большом значении этого времени в конечном узле может скопиться большое число пакетов разных сообщений, что приведёт к переполнению буферной памяти узла и, как следствие, к потере передаваемых пакетов или к отказу в приёме новых пакетов, что, в свою очередь, не позволит собрать сообщения; маленькое значение предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле может создавать такую ситуацию, при которой большое количество сообщений не смогут дождаться прихода последнего пакета и, поскольку по истечении этого времени все пакеты таких сообщений будут удалены из буферной памяти, потребуется повторная передача всех пакетов этих сообщений, что приведёт к значительной загрузке оборудования (узлов и каналов) сети и, в пределе, может вызвать перегрузку сети.

Коммутация ячеек

Коммутация ячеек - способ коммутации, который можно рассматривать как частный случай коммутации пакетов со строго фиксированной длиной передаваемых блоков данных в 53 байта, называемых ячейками (рис. 1.32).

Первые компьютерные сети строились для передачи цифровых (компьютерных) данных с единствен­ным требованием - обеспечить надёж­ную (без ошибок) доставку данных, при этом время доставки не являлось критичным. Развитие компьютерных технологий и появление необходимости передачи мультимедийных данных, таких как речь и видео, выдвинуло, наряду с надёжной доставкой, новое требование к передаче данных в компьютерных сетях: минимизация времени доставки сообщений.

Для реализации этой концепции в начале девяностых годов прошлого столетия была разработана сетевая технология, получившая название Asynchronous Transfer Mode (ATM) -режим асинхронной передачи, назначение которой - передача мультимедийных данных в компьютерной сети с минимальной задержкой.

Как было показано выше при рассмотрении коммутации пакетов, чем короче пакеты, тем меньше время доставки всего сообщения. Исходя из этого, в ATM-сетях в качестве единицы передачи данных был выбран блок размером в 53 байта (5 байт - заголовок и 48 байт - данные), названный ячейкой (рис. 1.32). Столь странный размер ячейки появился в результате компромисса двух противодействующих групп, из которых одна группа (по одной из версий: традиционные связисты - телефонисты) настаивала на меньшем значении поля данных в 32 байта, а другая (компьютерщики) - на значении в 64 байта.

Действительно, меньшее значение размера ячейки обеспечило бы меньшие задержки при доставке данных, однако не следует забывать, что при этом возрастают накладные расходы на передачу заголовков ячеек, что снижает полезную (эффективную) пропускную способность среды передачи. В АТМ-сетях это снижение составляет около 10% . Если же размер поля данных будет 32 байта, то при том же заголовке в 5 байт снижение полезной пропускной способности составит 13,5%.

Принимая во внимание, что в мультимедийных сетях обычно используются высокоскоростные каналы, потери пропускной способности могут оказаться значительными, что отрицательно скажется на экономической эффективности компьютерной сети.

Подводя итог сказанному, можно отметить следующие достоинства коммутации ячеек:

• маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);

• быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

• более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация буферной памяти и надежной передачи данных.

Основным недостатком коммутации ячеек является:

• наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу
заголовка (почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной
способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

Коммутация пакетов и коммутация каналов - основные способы передачи данных в компьютерных сетях, поскольку коммутация пакетов обеспечивает более эффективную передачу данных через СПД по сравнению с коммутацией сообщений (в первую очередь, значительно меньшие задержки), а коммутация каналов может быть достаточно легко реализована на основе существующей телефонной сети.

Лекция 9. Способы передачи пакетов

Пакеты в сети могут передаваться двумя способами (рис. 1.33):

• дейтаграммным;

• путем формирования «виптуалъного канала».



Дейтаграммная передача

При дейтаграммном способе пакеты одного и того же сообщения могут передаваться между двумя взаимодействующими пользователями А и В по разным маршрутам, как это показано на рис. 1.34, где пакет П1 передаётся по маршруту У1-У₂-Уб-У7, пакет П2 - по маршруту У₁У₄-У7 и пакет ПЗ - по маршруту У1-У3-У5-У7. В результате такого способа передачи все пакеты приходят в конечный узел сети в разное время и в произвольной последовательности. Пакеты одного и того же сообщения, рассматриваемые в каждом узле сети как самостоятельные независимые единицы данных и передаваемые разными маршрутами, называются дейтаграммами (datagram). В узлах сети для каждой дейтаграммы всякий

раз определяется наилучший путь передачи в соответствии с выбранной метрикой маршрутизации, не зависимо от того, по какому пути переданы были предыдущие дейтаграммы с такими же адресами назначения (получателя) и источника (отправителя).

Дейтаграммный способ передачи пакетов может быть реализован:

• без установления соединения между абонентами сети;

• с установлением соединения между взаимодействующими абонентами сети. В последнем случае между взаимодействующими абонентами предварительно устанавливается соединение путём обмена служебными пакетами: «запрос на соединение» и «подтверждение соединения», означающее готовность принять передаваемые данные.

В процессе установления соединения могут «оговариваться» значения параметров передачи данных, которые должны выполняться в течение сеанса связи.

После установления соединения отправитель начинает передачу, причём пакеты одного и того же сообщения могут передаваться разными маршрутами, то есть дейтаграммным способом. По завершении сеанса передачи данных выполняется процедура разрыва соединения путём обмена служебными пакетами: «запрос на разрыв соединения» и «подтверждение разрыва соединения». Описанная процедура передачи пакетов с установлением соединения иллюстрируется на диаграмме (рис.1.35).

Достоинствами дейтаграммного способа передачи пакетов в компьютерных сетях являются:

• простота организации и реализации передачи данных - каждый пакет (дейтаграмма) сообщения передаётся независимо от других пакетов;

• в узлах сети для каждого пакета выбирается наилучший путь (маршрут);

• передача данных может выполняться как без установления соединения между взаимодействующими абонентами, так и при необходимости с установлением соединения.



К недостаткам дейтаграммного способа передачи пакетов следует отнести:

• необходимость сборки сообщения в конечном узле: сообщение не может быть передано получателю, пока в конечном узле сети не соберутся все пакеты данного сообщения, поэтому в случае потери хотя бы одного пакета сообщение не сможет быть сформировано и передано получателю;

• при длительном ожидании пакетов одного и того же сообщения в конечном узле может скопиться достаточно большое количество пакетов сообщений, собранных не полностью, что требует значительных затрат на организацию в узле буферной памяти большой ёмкости;

• для предотвращения переполнения буферной памяти узла время нахождения (ожидания) пакетов одного и того же сообщения в конечном узле ограничивается, и по истечении этого времени все поступившие пакеты не полностью собранного сообщения уничтожаются, после чего выполняется запрос на повторную передачу данного сообщения; это приводит к увеличению нагрузки на сеть и, как следствие, к снижению её производительности, измеряемой количеством сообщений, передаваемых в сети за единицу времени.