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: 8 из 11

Управление трафиком на высших уровнях OSI – модели

На сетевом уровне управление потоком в сети передачи данных реализуется за счет:

• применения различных методов маршрутизации;

• установления приоритетов между различными типами трафика. На транспортном уровне управление потоком между конечными

узлами сети реализуется за счет:

установления приоритетов между различными типами трафика;

• ограничения поступающего от абонента трафика (например, когда скорость работы отправителя выше скорости получателя);

• ограничения доступа в сеть передачи данных.

На сеансовом уровне управление в коммутируемых сетях сеансом связи реализуется за счет применения различных способов установления соединения между абонентами.

Методы управления трафиком на канальном и физическом уровнях

Методы управления трафиком на канальном уровне

Способы разделения кадров

На физическом уровнедля разделения потока битов, соответствующих разным блокам данных 2-го уровня - кадрам, могут использоваться различные способы:

1) указание в заголовке кадра его длины и подсчет количества
символов в процессе приема потока данных (основной недостаток -
неустойчивость к помехам);

2) использование в качестве границы кадров запрещенных сигналов физического уровня;

3) использование в качестве границы кадров специальных стартовых и стоповых символов (байтов);

4) использование в качестве границы кадров специальных
последовательностей битов.

Битстаффинг

При использовании в качестве границы кадров специальных последовательностей битов (например, в протоколах семейства HDLC используется специальная последовательность битов: 01111110, называемая флагом) возникает проблема, связанная с тем, что такая последовательность битов может встретиться внутри кадра и будет ошибочно воспринята аппаратурой передачи данных как обрамление, т.е. как начало следующего кадра. Для исключения этого используется процедура обеспечения прозрачности канала - битстаффинг.

Битстаффинг (bit stuffing - вставка битов) - техника вставки и стирания битов, используемая в высокоскоростных цифровых каналах связи с большим числом линий связи, не имеющих взаимной синхронизации, а также средство синхронизации в протоколах управления каналом связи типа HDLC.

Битстаффинг реализуется следующим образом. На передающем узле после пяти подряд следующих единиц внутри кадра принудительно вставляется 0, который автоматически изымается на приемном узле. Таким образом, исключается возможность появления внутри кадра последовательности битов 01111110, используемой для разделения кадров.

На рис. 1.46 иллюстрируется процедура битстаффинга. Положим, что необходимо передать кадр, показанный на рис.1.46,а), в котором встречаются:

• шесть подряд идущих единиц (которые находятся между двумя нулевыми битами и могут быть восприняты как граница кадра);

• ровно пять единиц;

• более шести единиц.

В соответствии с рассмотренным выше принципом реализации бит-стаффинга в передающем узле после пяти любых подряд идущих единиц принудительно будут вставлены нулевые биты, как это показано на рис. 1.46,6). Отметим, что нули вставляются не зависимо от того, совпадает или не совпадает внутрикадровая битовая последовательность с флагом 01111110, используемым для разделения кадров.

В результате такой процедуры по каналу связи будет передана последовательность битов, показанная на рис.1.46,в), которая анализируется в принимающем узле. Если после пяти подряд поступивших в узел единиц два последующих бита имеют значения 1 и 0, то такая комбинация рассматривается как граница кадра. Если же после пяти единиц следующий бит равен 0, то он изымается, и текст кадра принимает исходный вид рис.1.46,а).



При использовании в качестве границы кадров специальных стартовых и стоповых символов (байтов) реализуется «байт-стаффинг» -техника вставки, а точнее замены байтов, совпадающих с граничными в тексте кадра, на определённые последовательности других символов (см. протокол SLIP).

Управление трафиком на канальном уровне

На канальном уровне управление потоком в канале связи между двумя узлами реализуется за счет применения:

• механизма квитирования;

• механизма тайм-аута;

• механизма скользящего окна.

Квитирование

Механизм квитирования предназначен для обеспечения надёжной передачи данных (кадров или пакетов) и может быть реализован как на канальном, так и на более высоком уровне (например, сетевом или транспортном) OSI-модели. Реализация механизма квитирования на канальном уровне (в звене передачи данных) показана на рис. 1.47 Положим, что в некоторый момент времени узел У1отправляет в узел У₂ кадр с данными (Д), причём копия отправленного кадра сохраняется в буферной памяти узла (рис.1.47,а). Узел У₂ после получения кадра от узла У1 подсчитывает контрольную сумму и сравнивает её со значением, содержащимся в концевике. Если эти значения не совпадают, то узел У₂ формирует и отправляет узлу У1 специальный служебный кадр (К-), называемый отрицательной квитанцией, свидетельствующей о том, что кадр был передан с ошибкой (рис. 1.47,б). Узел У1 анализирует квитанцию и, если квитанция была отрицательной, повторно посылает тот же самый кадр Д (рис.1.47,в). Если подсчитанная в узле У₂ контрольная сумма совпадает со значением, содержащимся в концевике, то узел У₂ формирует и отправляет положительную квитанцию (К+), свидетельствующую о том, что кадр был передан без ошибок (рис.1.47,г). Узел У1 анализирует квитанцию и, если квитанция была положительной, удаляет сохранённую копию этого кадра из буферной памяти (рис.1.47,д).



Тайм-аут

Недостаток рассмотренного механизма квитирования состоит в том, что в случае потери кадра данных или квитанции в процессе передачи между узлами У1и У₂ узел-отправитель У1может ожидать прихода квитанции бесконечно долго. При этом становится невозможной передача других данных к узлу У₂, что может привести в конечном счёте к прекращению передачи данных в сети. Для исключения подобной ситуации был реализован механизм тайм-аута, заключающийся в следующем. Узел-отправитель У1 после завершения передачи данных (кадра) к узлу У₂ запускает таймер и ожидает поступления квитанции (положительной или отрицательной) в течение ограниченного промежутка времени   , называемого тайм-аутом.

Величина тайм-аута выбирается из следующего условия:   должно быть больше, чем удвоенное время передачи кадра между узлами, то есть   . Время передачи кадра между узлами   складывается из времени распространения сигнала по каналу связи   и времени передачи кадра максимальной длины 

Время распространения сигнала по каналу связи определяется как  где L - длина канала и v - скорость распространения сигнала в среде передачи. Время передачи кадра максимальной длины зависит от длины кадра   и пропускной способности канала  Тогда:   и условие для выбора величины тайм-аута примет вид:



Если по истечении тайм-аута   узел-отправитель У1не получает квитанцию, то он повторно передаёт тот же кадр. Для исключения бесконечного числа передач одного и того же кадра обычно устанавливается некоторое предельное количество попыток передать кадр, после которого передача этого кадра прекращается, и данное направление передачи (маршрут) исключается из рассмотрения и в дальнейшем не используется, поскольку предполагается, что канал или узел данного маршрута находится в неисправном состоянии. Для рассматриваемого кадра выбирается новое направление передачи в соответствии с используемым методом маршрутизации.

Недостатком рассмотренного способа передачи данных является низкий коэффициент полезной загрузки канала, обусловленный большими накладными расходами на ожидание и передачу служебных квитанций. Коэффициент полезной загрузки канала, измеряемый как доля времени, используемого для передачи непосредственно пользовательских данных, составляет менее 30%, в чём несложно убедиться, используя следующие рассуждения.

Пусть время передачи кадра данных равно   . Как показано выше,

величина тайм-аута выбирается из условия:   , где   -время распространения сигнала в канале связи,   - время передачи кадра максимальной длины. С учётом того, что   , положим

 . Тогда коэффициент полезной загрузки канала   .

Следует иметь в виду, что этот результат справедлив при условии, что положительная квитанция поступила с первого раза. Если же первая передача кадра окажется неудачной, и в узел-отправитель поступит отрицательная квитанция, что потребует повторной передачи кадра, коэффициент полезной загрузки канала окажется гораздо ниже и составит:

 , то есть менее 20%. Это означает, что реальная скорость

передачи данных по каналу с пропускной способностью 10 Мбит/с будет составлять менее 2 Мбит/с. Очевидно, что такая ситуация является экономически неприемлемой, особенно для высокоскоростных каналов.

Скользящее окно

Для увеличения коэффициента полезной загрузки канала используется механизм «скользящего окна». Предварительно отметим, что если рассмотренные выше механизмы квитирования и тайм-аута предполагали наличие между взаимодействующими узлами полудуплексного канала, то механизм скользящего окна может быть реализован только при наличии дуплексного канала. При этом, кадры данных и квитанции могут передаваться одновременно по разным каналам (рис. 1.48).



Суть механизма «скользящего окна» заключается в следующем. Узел-отправитель может послать подряд несколько кадров данных без получения на эти кадры квитанций. При этом кадры циклически нумеруются от 1 до W, где W - размер (ширина) окна - максимальное количество кадров, которые могут быть переданы без подтверждения. Номер кадра указывается в заголовке. Ширина окна может быть выбрана из условия максимальной загрузки прямого канала связи от узла-отправителя к узлу-получателю, которая может быть достигнута за счёт передачи ещё нескольких кадров за время ожидания квитанции на первый кадр:



где   - минимальное время ожидания квитанции;   -

время передачи кадра,   - время распространения сигнала по каналу

связи,   - время, затрачиваемое в узле-получателе на обработку кадра и

формирование квитанции.

Как следует из представленного выражения, если пренебречь временем распространения сигнала по каналу связи и временем обработки кадра в узле-получателе У₂, то минимальная ширина окна должна быть не менее 2.

Положим, что в начальный момент времени окно узла-отправителя У1 выглядит так, как это показано на рис.1.49,а), что означает возможность передачи W кадров без подтверждения. Для того чтобы простой канала связи свести к минимуму, квитанция в узле-получателе может быть сформирована раньше, чем закончится передача всех W кадров, то есть узел-получатель может отправить квитанцию узлу-отправителю в любой удобный для него момент времени.

Такой момент обычно связан с формированием кадра данных, посылаемого по обратному каналу от узла У2 к узлу У1. При этом в заголовок этого кадра вставляется квитанция, указывающая номер последнего кадра, который был принят без ошибок (положительная квитанция) или с ошибкой (отрицательная квитанция). Если квитанция на кадр с номером к (1 < к < W) - положительная, то окно в узле У1 сдвигается так, как это показано на рис. 1.49,6), что означает возможность передачи ещё W кадров с номерами  без квитанции.

Если квитанция на кадр с номером   - отрицательная, то это означает, что кадры с номерами до (k-1) приняты правильно, а кадры, начиная с номера к, должны быть переданы повторно. При этом окно в узле У1 сдвигается так, как это показано на рис.1.49,в) что означает возможность передачи ещё W кадров с номерами  без квитанции. Таким образом, квитанция может формироваться не на все передаваемые кадры, а только на некоторые из них, причём, если положительная квитанция пришла на кадр с номером к, то считается, что этот кадр и все предыдущие кадры с номерами от 1 до (к-1) приняты без ошибок. Аналогично, отрицательная квитанция на кадр с номером к означает, что все предыдущие кадры приняты без ошибок, и повторной передаче подлежат все ранее переданные кадры, начиная с номера к.



Лекция 11. Характеристики компьютерных сетей

Характеристики компьютерных сетей — это совокупность показателей эффективности (качества) сети.

Характеристики компьютерных сетей можно разделить на две группы (см. рис.1.50):

• качественные;

• количественные.

Примерами качественных характеристик могут служить:

• операционные возможности сети, представляющие собой
перечень услуг (сервисов) по передаче и обработке данных,
предоставляемых пользователям сети, таких как передача данных между
удаленными пользователями сети, доступ к удаленным файлам, доступ к разнообразным вычислительным средствам, в том числе, к высокопроизводительным ВС, электронная почта, возможность передачи по сети разнообразных данных (речь, аудио, видео) и т.д.;

• масштабируемость - способность сети при ее наращивании (при увеличении ресурсов) линейно увеличивать свою производительность, которую можно оценить количественно через отношение прироста производительности системы к приросту ресурсов: чем ближе это отношение к единице, тем выше масштабируемость;

• управляемость - возможность администрирования с целью выявления и разрешения возникающих в сети проблем, а также планирования развития и модернизации сети;

• гибкость - сохранение качества функционирования сети при изменении её состава и конфигурации в результате выхода из строя оборудования или добавления новых устройств.

Количественные характеристики компьютерных сетей можно разделить на две группы (рис.1.51):

• глобальные, определяющие наиболее важные свойства сети как целостного объекта;

• локальные, определяющие свойства отдельных устройств или частей сети и позволяющие получить более детальное представление об эффективности сети.



К глобальным характеристикам относятся:

• характеристики производительности;

• характеристики оперативности;

• характеристики надежности;

• стоимостные характеристики;

• прочие характеристики (энергопотребления, массогабаритные и т.п.).

Характеристики производительности