СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
1.5. Принципы функциональной организации компьютерных сетей Функциональная организация компьютерной сети складывается из функциональной организации вычислительного процесса (обработки данных) и процесса передачи данных. Функциональная организация вычислительного процесса определяется режимами функционирования отдельных компьютеров сети и способом реализации обработки данных в компьютерной сети. Обработка данных в компьютерных сетях может быть реализована двумя способами: • распределённая обработка, при которой обработка данных распределяется между несколькими узлами (компьютерами) и выполняется параллельно; • централизованная обработка, при которой данные обрабатываются в одном центральном узле (компьютере), в качестве которого обычно выступает сервер, при этом другие компьютеры рассматриваются как клиенты (удалённые терминалы), формирующие запросы к центральному узлу. Функциональная организация процесса передачи данных в значительной степени определяется: • способом организации взаимодействия между абонентами сети – способом коммутации; • методами управления трафиком (потоками данных), реализуемыми на разных уровнях OSI-модели. 1.5.1. Коммутация Передача данных в компьютерной сети предполагает организацию физического или логического соединения между взаимодействующими пользователями сети (конечными узлами). Организация взаимодействия между абонентами компьютерной сети называется коммутацией. Коммутация в сети может быть реализована разными способами (рис.1.26), которые можно разбить на две группы: • способы коммутации без промежуточного хранения данных; • способы коммутации с хранением данных в промежуточных узлах. В качестве способа коммутации без промежуточного хранения данных в компьютерных сетях применяется коммутация каналов, используемая в традиционных телефонных сетях связи. Для передачи данных в компьютерных сетях был разработан новый способ коммутации – коммутация сообщений, предполагающая использование в качестве узлов связи специализированных средств вычислительной техники, что позволяло реализовать в промежуточных узлах хранение передаваемых данных, обеспечивающее ряд преимуществ по сравнению с коммутацией каналов. Дальнейшее развитие способов Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 42 коммутаций было направлено на усовершенствование коммутации сообщений для обеспечения определенного качества передачи данных. Рассмотрим перечисленные способы коммутации и в процессе сравнительного анализа выявим присущие им достоинства и недостатки. 1.5.1.1. Коммутация каналов Коммутация каналов основана на формировании единого физического соединения (канала) между взаимодействующими абонентами для непосредственной передачи данных из конца в конец так же, как это реализуется в традиционных телефонных сетях (рис.1.27). Если абонент А 1 хочет передать данные абоненту А 2 , то перед началом передачи он предварительно должен установить соединение с абонентом А 2 путем посылки специального служебного сообщения «УС – установить соединение», которое «прокладывает» путь, формируя в каждом из промежуточных узлов непосредственное физическое (электрическое) соединение между входным и выходным портами узла. После того, как служебное сообщение достигнет абонента А 2 , последний формирует и посылает по созданному пути (маршруту) абоненту А 1 новое служебное сообщение «ПС – подтвердить соединение», подтверждающее установление соединения между абонентами сети. Только после получения такого сообщения абонент А 1 может начать передачу сообщения С абоненту А 2 по установленному маршруту. Созданное физическое Способы коммутации Без промежуточного хранения данных С промежуточным хранением данных Коммутация каналов Коммутация сообщений Коммутация пакетов Коммутация ячеек 1.26 C А 2 А 1 УC ПC 1.27 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 43 соединение обычно существует в течение времени передачи данных, называемого сеансом или сессией (session), по завершению которого это соединение может быть разрушено. Такой канал между двумя абонентами сети называется временным или коммутируемым, в отличие от некоммутируемого (выделенного) канала, который формируется единожды и существует постоянно или, по крайней мере, в течение длительного времени, независимо от того, передаются данные или же канал простаивает. В простейшем случае узел сети с коммутацией каналов можно рассматривать как переключатель, обеспечивающий в каждый момент времени электрическое соединение между двумя портами (точками входа и выхода) узла. В телефонной сети такими «переключателями» являются автоматические телефонные станции (АТС). К основным достоинствам коммутации каналов относятся: • возможность использования существующих и достаточно хорошо развитых телефонных сетей связи; • отсутствие необходимости в хранении передаваемых данных в промежуточных узлах сети; • высокая эффективность при передаче больших объемов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается незначительным. В то же время коммутация каналов обладает следующими серьёзными недостатками: • каналы связи на всем пути передачи данных должны иметь одинаковые пропускные способности и обеспечивать одинаковую скорость передачи данных, в противном случае, если пропускная способность некоторого канала связи окажется меньше пропускной способности предыдущего канала, произойдёт потеря передаваемых данных, поскольку в промежуточных узлах отсутствует возможность буферирования (временного хранения) данных; • большие накладные расходы на установление соединения на начальном этапе, что негативно сказывается при передаче небольших объёмов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается существенным, что приводит к неэффективному использованию ресурсов (пропускной способности) каналов связи, что проявляется в значительном уменьшении реальной скорости передачи данных по отношению к максимально возможной скорости канала, называемой пропускной способностью; • телефонные каналы связи, ориентированные на передачу голоса, имеют сравнительно низкое качество и обеспечивают передачу компьютерных данных с невысокой скоростью, что не позволяет их использовать в высокоскоростных магистральных сетях. Альтернативой коммутации каналов, устраняющей присущие ей недостатки, является коммутация сообщений. Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 44 1.5.1.2. Коммутация сообщений Коммутация сообщений, в отличие от коммутации каналов, предполагает хранение передаваемых сообщений в буферной памяти промежуточных узлов, находящихся на пути передачи, который прокладывается в каждом узле в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации (рис.1.28). При этом не требуется предварительно устанавливать соединение между взаимодействующими абонентами. Если абонент А 1 желает передать сообщение С абоненту А 2 , то он, не устанавливая непосредственное соединение с А 2 , посылает сообщение к узлу связи, к которому он подключён. Там сообщение хранится в буфере узла в течение некоторого времени, необходимого для анализа заголовка, определения в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации следующего узла и, возможно, ожидания освобождения канала связи с этим узлом, если канал занят передачей ранее обработанного сообщения. Проходя таким образом через все узлы, находящиеся на пути передачи, сообщение достигает конечного абонента А 2 . Отметим ещё раз, что направление передачи сообщения, то есть его маршрут в сети, определяется только после поступления сообщения в тот или иной узел сети, а не устанавливается заранее, как это происходит при коммутации каналов. Благодаря такой организации передачи данных между взаимодействующими абонентами, коммутация сообщений обладает следующими достоинствами по сравнению с коммутацией каналов: • не требуется предварительное установление соединения, что существенно снижает накладные расходы, но не делает их нулевыми, поскольку имеются непроизводительные затраты времени в каждом узле на обработку заголовка и реализацию алгоритма маршрутизации; однако в целом эти затраты существенно меньше по сравнению с затратами на установление соединения при коммутации каналов; • каналы связи на всем пути передачи могут иметь разные пропускные способности, поскольку буферирование сообщений в узлах сети позволяет сгладить различие в пропускных способностях входного и выходного каналов узла. Недостатками коммутации сообщений являются: • необходимость хранения передаваемых сообщений в промежуточных узлах, что требует значительной ёмкости буферной C А 2 А 1 1.28 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 45 памяти, которая рассчитывается как произведение ёмкости одного буфера на максимально возможное количество сообщений, которые одновременно могут находиться в узле; ёмкость одного буфера должна быть рассчитана на сообщения максимальной длины, которая, например, для видео файлов может составлять несколько гигабайт, что делает ёмкость буферной памяти узла неоправданно большой; при этом коэффициент использования (загрузки) буферной памяти оказывается незначительным, поскольку большинство сообщений, занимая один буфер, будут иметь длину много меньше, чем ёмкость буфера; • задержка в промежуточных узлах может оказаться значительной, особенно из-за большого времени ожидания освобождения выходного канала связи при большой загрузке сети, что приводит к увеличению времени доставки сообщений; • монополизация среды передачи (канала связи) на длительный промежуток времени при передаче длинных сообщений приводит к неоправданно большим задержкам коротких сообщений в связи с ожиданием освобождения канала, длительность которого может многократно превышать время непосредственной передачи этих сообщений. 1.5.1.3. Коммутация пакетов Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений лишь тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины const L = п (кроме последнего блока: п к L L ≤ ), 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 сообщений 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; Данные З К З К П 1 З К П 2 З К П 3 L П =const L П =const L К < L П 1.29 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 46 • 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 А 1 к абоненту А 2 в сети с коммутацией сообщений так, как это показано на рис.1.28. В процессе передачи сообщение проходит через K каналов связи с одинаковыми пропускными способностями КС C и ) 1 ( − K промежуточных узла Время передачи сообщения длиной L в одном канале с пропускной способностью КС C будет равно : КС C L t = Пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах , определим время доставки сообщения от абонента А 1 к абоненту А 2 : КС С C L K t K T = = Положим теперь , что в рассматриваемой сети реализован принцип коммутации пакетов , и передаваемое от абонента А 1 к абоненту А 2 сообщение длиной L разбивается на n пакетов , длина каждого из которых равна n L l = Тогда время передачи пакета в канале с пропускной способностью КС C будет равно : КС КС п C n L C l t = = Как и ранее , пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах , определим время доставки сообщения от абонента А 1 к абоненту А 2 Очевидно , что первый пакет будет доставлен к абоненту А 2 за время КС п 1 C n L K Kt t = = На момент доставки к абоненту А 2 первого пакета П 1 остальные пакеты П 2 , П 3 , П 4 сообщения , двигаясь по тому же маршруту , окажутся в промежуточных узлах , как это показано на рис .1.30, а пакеты П 5 , …, П n будут находиться в исходном узле у абонента А 1 А 1 П 5 А 2 1.30 П 4 П 3 П 2 П 1 П n КС 1 КС 2 КС 3 КС 4 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 47 Дальнейшее перемещение пакетов приведёт к тому, что пакет П 2 окажется у абонента А 2 через время КС п 1 2 ) 1 ( C n L K t t t + = + = Аналогично , пакет П 3 окажется у абонента А 2 через время КС п 2 3 ) 2 ( C n L K t t t + = + = , и т д Последним к абоненту А 2 придёт пакет П n через время КС п 1 ) 1 ( C n L n K t t t n n − + = + = − Таким образом , все n пакетов , а , следовательно , всё сообщение будут доставлены к абоненту А 2 за время КС п ) 1 ( C n L n K t T n − + = = Сравнивая времена доставки сообщения при использовании коммутации пакетов КС п ) 1 ( C n L n K T − + = и коммутации сообщений КС С C L K T = , можно убедиться , что при 1 > n : С п T T < , т е время доставки сообщения при коммутации сообщений больше времени доставки сообщения при использовании коммутации каналов в 1 п С − + = = n K n K T T k раз Для значений 4 = K и 5 = n (четыре канала связи, как на рис.1.30, и пять пакетов) получим, что время доставки сообщения при коммутации пакетов уменьшится в 5 , 2 = k раза по сравнению с коммутацией сообщений, а при разбиении исходного сообщения на 17 пакетов – в 4 , 3 = k раз. Легко убедиться, что при ∞ → n выигрыш k во времени доставки стремится к K: K k → , 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 П 1 находится в канале КС 4 , пакет П 2 передаётся по каналу КС 3 , пакет П 3 – по каналу КС 2 и пакет П 4 – по каналу КС 1 , 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. А 1 А 2 1.31 П 4 П 3 П 2 П 1 КС 1 КС 2 КС 3 КС 4 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 48 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. |