СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
У 4 У 7 У 5 У 3 У 6 Таблица маршрутизации узла У4 Адрес назначения Осн. путь Альт. путь У 1 У 1 У 6 У 2 У 2 У 7 У 3 У 7 У 6 У 5 У 6 У 7 У 6 У 6 У 7 У У У а) б) 1.37 … ВхБ ВыхБ КС 1 КС N Анализ заголовка и выбор выходного КС Мш ЦП (ТМ) … КС 1 КС N ВхКС ВыхКС … 1.38 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 56 Отметим, что конкретные реализации реальных маршрутизаторов могут существенно различаться. Например, буферная память для хранения пакетов может быть разделена на входную и выходную, как это показано на рис.1.38, либо выполнена как единая память, где хранятся все пакеты. 1.5.3.3. Классификация методов маршрутизации В компьютерных сетях теоретически могут использоваться самые разнообразные методы (алгоритмы) маршрутизации, обеспечивающие разные эффекты и зависящие от структурно-функциональных особенностей сети и требований, предъявляемых к качеству функционирования сети. На рис.1.39 представлена одна из возможных классификаций различных методов маршрутизации, которые можно разбить на 3 группы: • простые; • фиксированные; • адаптивные. 1.5.3.4. Простые методы маршрутизации К простым относятся следующие методы маршрутизации. 1. Случайная маршрутизация, при которой выбор направления передачи данных осуществляется случайным образом между всеми каналами узла (портами маршрутизатора) за исключением канала, по которому эти данные поступили в узел. Например, если маршрутизатор имеет 4 порта (канала) и по одному из них поступили данные, то вероятность передачи по любому из трёх других каналов будет равна 1/3, при этом адрес назначения не используется для выбора выходного канала. Очевидно, что применение такого алгоритма маршрутизации оправдано только в том случае, если отсутствует информация о топологии сети и сетевых адресах, что делает невозможным построение таблицы маршрутизации. Несмотря на то, что направление передачи пакетов Методы маршрутизации Простые Фиксированные Адаптивные 1.39 Случайная Лавинообразная По предыдущему опыту Однопутевая Многопутевая Распределённая Локальная Гибридная Централизованная Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 57 осуществляется случайным образом, вероятность доставки пакета конечному адресату отлична от нуля, но меньше единицы, поскольку существует вероятность зацикливания пакета в сети. 2. Лавинообразная маршрутизация, заключающаяся в размножении поступившего пакета и рассылке его копии по всем направлениям, кроме того, по которому поступил пакет. Такое размножение приводит к большой загрузке каналов и узлов сети и, в то же время, обеспечивает доставку пакета конечному адресату с вероятностью единица. Если в некоторый узел поступает несколько копий одного и того же пакета, то все они, кроме одного пакета, уничтожаются. Как и в предыдущем случае, применение лавинообразного алгоритма оправдано, если невозможно построить таблицу маршрутизации из-за отсутствия информации о топологии сети и сетевых адресах. Случайная и, особенно, лавинообразная маршрутизации являются скорее экзотическими методами, которые могут использоваться в условиях неопределённости, возникших, например, в результате боевых действий, приведших к выходу из строя значительной части сетевых ресурсов и, как следствие, к отсутствию сведений о топологии сети и сетевых адресах. 3. Маршрутизация по предыдущему опыту является наиболее интересной среди простых алгоритмов и заключается в автоматическом построении таблицы маршрутизации. Заголовки пакетов, передаваемых в сети с маршрутизацией от источника, кроме адреса получателя АП и адреса отправителя АО содержат специальное поле «расстояние», значение которого в узле- отправителе устанавливается равным 0. В процессе передачи пакета в сети в каждом промежуточном узле значение поля «расстояние» увеличивается на единицу. Таким образом, в каждом узле значение этого поля показывает расстояние, которое прошел пакет от узла-отправителя до этого узла и которое измеряется в количестве промежуточных узлов на пути передачи пакета. Рассмотрим принцип реализации метода маршрутизации по предыдущему опыту на примере построения таблицы маршрутизации узла У 7 сети, показанной на рис. 1.40. 1.40 У 6 У 8 У 7 У 10 У 5 У 11 У 9 У 2 У 3 У 1 У 4 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 58 Положим, что в некоторый момент времени в узел У 7 поступает пакет от узла У 1 (адрес отправителя АО = У 1 ) по маршруту, пролегающему через узлы У 3 , У 5 , У 9 , в каждом из которых значение поля «расстояние» было увеличено на 1: У 1 →У 3 →У 5 →У 9 →У 7 В узле У 7 анализируется адрес отправителя АО и, если такой адрес отсутствует в таблице маршрутизации, то он заносится в таблицу. Для этого же адреса одновременно указывается адрес соседнего узла У 9 , от которого поступил этот пакет, и расстояние до узла-отправителя, содержащееся в поле «расстояние»заголовка пакета и равное 3 (рис.1.41). Положим теперь, что через некоторое время в узел У 7 поступит новый пакет от узла У 1 с адресом отправителя АО=У 1 , маршрут которого пролегал через узлы У 2 , У 6 : У 1 →У 2 →У 6 → У 7 Поскольку в таблице маршрутизации узла У 7 уже есть строка с адресом У 1 , то для этого адреса сравнивается значение расстояния от узла отправителя, содержащееся в заголовке поступившего пакета в поле «расстояние», со значением расстояния, записанного в таблице маршрутизации. Если расстояние, указанное в заголовке поступившего пакета, меньше расстояния, записанного в таблице маршрутизации, то новый маршрут считается более коротким и в таблице маршрутизации корректируется строка, соответствующая адресу назначения У 1 : адрес соседнего узла заменяется на У 6 , а расстояние до адреса назначения становится равным 2 (рис.1.42). Таблица маршрутизации узла У 7 (1) Адрес назначения Адрес соседнего узла Расстояние У 1 У 9 3 … … … 1.41 Таблица маршрутизации узла У 7 (2) Адрес назначения Адрес соседнего узла Расстояние У 1 У 6 2 … … … 1.42 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 59 И наконец, если через некоторое время в узел У 7 поступит пакет от узла У 1 , маршрут которого пролегал через узел У 4 : У 1 →У 4 →У 7 , то поле «расстояние» в заголовке пакета будет иметь значение, равное 1, что меньше значения в таблице маршрутизации. Тогда после корректировки таблицы маршрутизации, соответствующая строка примет вид, показанный на рис.1.43. Таким образом, анализируя всякий раз адрес отправителя и расстояние от узла-отправителя всех проходящих через узел пакетов и корректируя таблицу маршрутизации, после некоторого времени получим в таблице маршрутизации наилучший маршрут, по которому будут передаваться пакеты с соответствующим адресом назначения. В нашем примере поступающие в узел У 7 пакеты с адресом назначения с АН=У 1 будут направляться в узел У 4 1.5.3.5. Методы фиксированной маршрутизации Вторую группу методов маршрутизации образуют методы фиксированной маршрутизации (см. рис.1.39), предполагающие наличие таблицы маршрутизации, которая формируется в узле администратором сети и не изменяется, по крайней мере, в течение длительного периода функционирования сети. Фиксированная маршрутизация может быть: • однопутевая, когда таблица маршрутизации содержит для каждого адреса назначения только один маршрут, и пакеты с одним и тем же адресом назначения направляются всегда к одному и тому же узлу; • многопутевая, когда таблица маршрутизации содержит для каждого адреса назначения несколько маршрутов (адресов соседних узлов), по которым могут быть направлены пакеты с одним и тем же адресом назначения. Достоинством фиксированной маршрутизации, несомненно, следует считать простоту реализации. В то же время существенным недостатком фиксированной маршрутизации является отсутствие гибкости, что проявляется в невозможности изменения маршрутов при изменении состава и топологии сети, а также при отказах узлов и каналов связи. В связи с этим, такие Таблица маршрутизации узла У 7 (3) Адрес назначения Адрес соседнего узла Расстояние У 1 У 4 1 … … … 1.43 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 60 методы маршрутизации могут применяться только в небольших и не изменяющихся в течение длительного промежутка времени сетях. 1.5.3.6. Методы адаптивной маршрутизации Адаптивная или динамическая маршрутизация (рис.1.39) предполагает оперативное изменение таблиц маршрутизации при изменении состава и топологии сети, а также при отказах узлов и каналов связи. Адаптивная маршрутизация может быть реализована как: • локальная; • распределённая; • централизованная; • гибридная. Локальная маршрутизация означает, что таблица маршрутизации изменяется (корректируется) на основе локальной информации о состоянии соответствующего узла, например о загрузке выходных каналов узла или о количестве пакетов, ожидающих в очереди освобождения выходного канала. При этом, если загрузка некоторого канала оказывается значительной, то таблица маршрутизации корректируется таким образом, чтобы выровнять загрузки всех выходных каналов. Недостаток локальной маршрутизации состоит в том, что выбранный на основе локальной информации о состоянии узла маршрут может оказаться плохим, если соседний узел, к которому направляются пакеты, перегружен. При распределённой маршрутизации корректировка таблицы маршрутизации осуществляется на основе не только локальной информации о состоянии соответствующего узла, но и с учётом состояний соседних узлов сети. Для этого узлы могут обмениваться специальными служебными пакетами, содержащими информацию о состоянии соседних узлов. Недостаток распределённой маршрутизации очевиден – служебные пакеты создают дополнительную нагрузку в каналах и узлах сети, что при неудачной организации может существенно снизить производительность среды передачи данных, измеряемую количество пакетов, передаваемых с сети за единицу времени. Централизованная маршрутизация предполагает наличие в сети специально выделенного узла, собирающего и анализирующего информацию о состоянии всех узлов сети. Результаты анализа рассылаются в виде служебных пакетов всем узлам, которые на их основе корректируют свои таблицы маршрутизации. Несмотря на кажущуюся эффективность такой маршрутизации, результирующий эффект может оказаться незначительным и даже привести к снижению эффективности передачи данных по сравнению с распределённой маршрутизацией в связи со значительным ростом числа передаваемых служебных пакетов, существенно загружающих каналы связи и сеть передачи данных в целом. Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 61 Гибридная маршрутизация представляет собой любую комбинацию рассмотренных выше методов маршрутизации. На практике в современных сетях передачи данных реализованы только некоторые из рассмотренных выше методов маршрутизации, причём конкретная реализация в маршрутизаторах разных фирм может быть различной и часто является секретом фирмы-разработчика. 1.5.4. Задачи управления трафиком Необходимость управления трафиком в сети обусловлена следующими особенностями, присущимисетевому трафику современных компьютерных сетей: • неоднородность трафика, характеризующаяся наличием в сети нескольких типов данных, которые можно разделить на две большие группы: мультимедийные (речь, аудио и видео) и компьютерные (электронные письма, файлы и т.п.) • наличие различных (дифференцированных) требований к качеству передачи данных разных типов; • случайный характер и нестационарность сетевого трафика, обусловленные изменением интенсивностей потоков данных в различное время суток и непредсказуемостью характера и темпа работы пользователей в компьютерной сети; • в свою очередь, нестационарность сетевого трафика может привести к возникновению в компьютерной сети периодов перегрузок и даже к блокировкам. Блокировки в сети могут возникнуть в результате заполнения буферной памяти узлов. Простейший пример блокировок показан на рис.1.44, где буферы двух соседних узлов, желающих обменяться пакетами, заполнены до конца. Это приводит к ситуации, когда обмен пакетами невозможен, несмотря на то, что в принципе буферной памяти достаточно для хранения имеющихся пакетов. Однако, для того чтобы принять пакет от соседнего узла, необходимо иметь хотя бы один свободный буфер. Таким образом, узлы оказываются заблокированными, что может, в конечном счете, привести к остановке (блокировке) всей сети. На рис.1.45 показана зависимость производительности сети передачи данных, измеряемая количеством пакетов, передаваемых в сети за единицу времени, от количества пакетов, находящихся в сети. Вначале производительность сети передачи данных, как и следовало ожидать, растёт с увеличением количества находящихся в сети пакетов М, достигая при M пред некоторого предельного значения, представляющего собой пропускную способность сети. При этом загрузка, по крайней мере, одного из узлов или каналов связи, называемого узким местом, достигает при пред M M = значения 1, что приводит к перегрузке сети. Дальнейшее 1.44 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 62 увеличение количества пакетов в сети не приводит к росту производительности, значение которой будет определяться производительностью узкого места. Более того, дальнейшее увеличение количества пакетов в сети ведёт к снижению производительности и даже к прекращению передачи пакетов, то есть к остановке сети, что, в частности, связано с возникающими в сети блокировками. Перечисленные выше особенности компьютерных сетей обусловливают необходимость управления неоднородным трафиком в сети для решения следующих задач: 1) обеспечение надежной передачи данных, предполагающей доставку данных абоненту без потерь и без искажения данных (за счет применения механизмов квитирования и тайм-аута); 2) обеспечение эффективной загрузки дорогостоящего сетевого оборудования (каналов и узлов) сети (за счет реализации механизма скользящего окна и перераспределения потоков данных в процессе адаптивной маршрутизации); 3) малые задержки при передаче по сети сообщений и, прежде всего, мультимедийных (за счет маршрутизации и приоритетов); 4) предотвращение перегрузок и блокировок при передаче данных (за счет приоритетов и ограничения входящего в сеть трафика). Управление потоком данных реализуется на различных уровнях OSI- модели. Ниже рассматриваются некоторые наиболее типичные методы управления трафиком на первых трёх уровнях, а именно: • процедура бит-стаффинга, используемая на физическом уровне; • механизм «скользящего окна», используемый на канальном уровне; • методы маршрутизации, используемые на сетевом уровне. Количество пакетов в сети П р о и зв о д и те л ьн о ст ь се ти , п ак ет о в /с Пропускная способность сети M пред 0 M 1.45 Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ 63 1.5.5. Методы управления трафиком на физическом уровне 1.5.5.1. Способы разделения кадров На физическом уровне для 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. 1.5.5.2. Бит - стаффинг 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 – бит-стаффинг. |