СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
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 монополизируетсяодним 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 выше указанный 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. Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 49 З Данные 5 48 байт 1.32 Ячейка 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. 1.5.1.4. 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 единствен- ным требованием – обеспечить надёж- ную (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 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 50 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 АТМ-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. 1.5.2. Способы передачи пакетов Пакеты в сети могут передаваться двумя способами (рис.1.33): • дейтаграммным; Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 51 • путем формирования «виртуального канала». 1.5.2.1. 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 У 1 -У 2 -У 6 -У 7 , пакет П2 – по маршруту У 1 -У 4 -У 7 и пакет П3 – по маршруту У 1 -У 3 -У 5 -У 7 . 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. Способы реализации коммутации пакетов Дейтаграммный Виртуальный канал Без установления соединения С установлением соединения 1.33 У 6 У 7 У 5 У 2 У 3 У 1 У 4 П1 П2 П3 1.34 А В Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 52 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 недостаткамдейтаграммного 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 Узел-отправитель Узел-получатель «Запрос на соединение» «Подтверждение соединения» Данные «Запрос на разрыв соединения» «Подтверждение» «Подтверждение разрыва соединения» t t 1.35 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 53 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. 1.5.2.2. Виртуальный канал Способ передачи пакетов «виртуальный канал» заключается в формировании единого «виртуального» канала на время взаимодействия абонентов для передачи всех пакетов сообщения. Этот способ реализуется с использованием предварительного установления соединения между взаимодействующими абонентами, в процессе которого формируется наиболее рациональный единый для всех пакетов маршрут, по которому, в отличие от дейтаграммного способа, все пакеты сообщения передаются в естественной последовательности, как это показано на рис.1.36. Пакеты П1, П2 и П3 сообщения передаются в естественной последовательности от пользователя А к пользователю В по предварительно созданному виртуальному каналу через узлы У 1 -У 4 -У 7 Виртуальный канал, как и реальный физический канал в случае коммутации каналов, существует только в течение сеанса связи, при этом ресурсы реальных каналов связи (пропускная способность) и узлов сети (буферная память), находя- щихся на маршруте, резерви- руются на всё время сеанса. Не следует путать и смешивать коммутацию каналов и способ передачи пакетов «виртуальный канал». Основное их отличие состоит в том, что «виртуальной канал» реализуется с промежуточным хранением пакетов в узлах сети, в то время как коммутация каналов реализуется без промежуточного хранения передаваемых пакетов за счёт создания реального (а не виртуального) физического канала между абонентами сети. К достоинствам способа передачи пакетов «виртуальный канал» по сравнению с дейтаграммной передачей пакетов можно отнести: • меньшие задержки в узлах сети, обусловленные резервированием ресурсов, и прежде всего пропускной способности каналов связи, в процессе установления соединения; • небольшое время ожидания в конечном узле для сборки всего сообщения, поскольку пакеты передаются последовательно друг за другом по одному и тому же маршруту (виртуальному каналу), и вероятность того, что какой-либо пакет «заблудится» в результате неудачно выбранного У 1 У 6 У 7 У 5 У 2 У 3 У 4 П1 П2 П3 1.36 А В Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 54 маршрута или его время доставки окажется слишком большим, как это может произойти при дейтаграммном способе, близка к нулю; • более эффективное использование буферной памяти промежуточных узлов за счёт её предварительного резервирования, а также буферной памяти в конечном узле в связи с небольшим временем ожидания прихода всех пакетов сообщения. К недостаткам способа передачи пакетов «виртуальный канал» можно отнести: • наличие накладных расходов (издержек) на установление соединения; • неэффективное использование ресурсов сети, поскольку они резервируются на всё время взаимодействия абонентов (сеанса) и не могут быть предоставлены другому соединению, даже если они в данный момент не используются. 1.5.3. Маршрутизация Маршрутизация – одна из основных функций компьютерной сети, определяющая эффективность передачи данных. Проблема маршрутизации в компьютерных сетях аналогична проблеме организации автомобильного движения по улицам города и состоит в выборе в каждом узле сети направления передачи данных (выходного канала) из множества возможных направлений в соответствии с адресом назначения и с учётом требований, предъявляемых к качеству передачи. Очевидно, что наиболее просто маршрутизация реализуется в узлах с двумя каналами: данные, поступившие по одному каналу, автоматически направляются в другой канал узла. 1.5.3.1. Таблица маршрутизации При наличии нескольких выходных каналов, по которым могут быть переданы данные, маршрутизация реализуется на основе таблицы маршрутизации, вид которой зависит от используемого в сети алгоритма маршрутизации. В простейшем случае каждому адресу назначения ставится в соответствие адрес следующего соседнего узла, к которому должен быть направлен пакет с указанным в заголовке адресом назначения. При наличии альтернативных маршрутов, например в многосвязных сетях, дополнительно могут быть указаны адреса других соседних узлов, через которые проходят альтернативные маршруты. При этом для каждого маршрута задаётся значение некоторой метрики, на основе которой выбирается тот или иной маршрут. В качестве метрики может использоваться расстояние до узла назначения, измеряемое, например, в хопах, пропускная способность соответствующего выходного канала связи и т.д. На рис. 1.37,а) показан пример простейшей таблицы маршрутизации узла 4 сети с топологией, представленной на рис.1.37,б). В таблице для каждого адреса назначения указывается направление передачи Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 55 данных по основному пути и альтернативному пути в случае невозможности передачи по основному пути, например в случае отказа основного пути. 1.5.3.2. Модель маршрутизатора На рис.1.38 показана концептуальная модель функционирования маршрутизатора. По входным каналам связи (ВхКС) пакеты с данными поступают во входной буфер (ВхБ) маршрутизатора. Центральный процессор (ЦП) последовательно анализирует заголовки пакетов и в соответствии с таблицей маршрутизации (ТМ) определяет направление передачи пакета и соответствующий выходной канал связи (ВыхКС). Затем пакет направляется в выходной буфер (ВыхБ) этого канала, где он ожидает освобождения канала, если последний занят передачей предыдущих пакетов. Пакеты, находящиеся в выходном буфере, образуют очередь перед каналом связи. Для дифференцированного обслуживания пакетов разных типов, имеющих разные требования к качеству обслуживания, выбор очередного пакета для передачи по каналу связи может осуществляться в соответствии с некоторой, например приоритетной, дисциплиной обслуживания. У 1 У 2 |