Обзор методов и алгоритмов распределения информации на узлах связи

передатчика   информация     комбинация

 

Рис. 4. Типичная структура  пакета

Пакет содержит в себе следующие основные поля или части:

- Стартовая комбинация, или преамбула, которая обеспечивает настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку  пакета. Это поле может отсутствовать или сводиться к одному единственному стартовому биту.

- Сетевой адрес (идентификатор)  принимающего абонента, то есть  индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно.

- Сетевой адрес (идентификатор)  передающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому передающему абоненту.  Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.

- Служебная информация, которая указывает на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут  его доставки, на то, что с ним  надо делать приемнику и т.д. 

- Данные - та информация, ради передачи которой используется данный пакет. Правда, существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала сеанса связи, конца сеанса связи, подтверждение приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.

- Контрольная сумма  пакета – это числовой код,  формируемый передатчиком по  определенным правилам и содержащий  в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу.

- Стоповая комбинация  служит для информирования аппаратуры  принимающего абонента об окончании  пакета, обеспечивает выход аппаратуры  приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать,  если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий детектировать факт передачи пакета.

Нередко в структуре  пакета выделяют всего три поля:

- Начальное управляющее  поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в  себя стартовую комбинацию, сетевые  адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.

- Поле данных пакета.

- Конечное управляющее  поле пакета (или заключение, трейлер), включающее в себя контрольную  сумму и стоповую комбинацию, а также, возможно служебную  информацию. В процессе сеанса  обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентом происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена (рис. 5  пример обмена пакетами при сеансе связи). В данном случае сеанс связи начинается с запроса готовности приемника принять данные. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет  «Готовность». Если приемник не готов, он отказывается от сеанса  связи  другим управляющим пакетом. Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный пакет данных приемник отвечает пакетом подтверждения. В случае, когда пакет передан с ошибками, приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом, которым передатчик сообщает о разрыве связи. Существует множество стандартных протоколов, которые используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой пакета), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета). При реальном обмене по сети используются многоуровневые протоколы, каждый из которых предполагает свою структуру кадра (свою адресацию, свою управляющую информацию, свой формат данных и т.д.).

 

 

 

……

 

Рис. 5. Пример обмена пакетами при сеансе связи

 

Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с понятиями, файл-сервер или  приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все кадры более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета. Каждый следующий вкладываемый кадр может содержать свою собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после данных (трейлер), причем ее назначение может быть самым различным. Естественно доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Поэтому для увеличения этой скорости лучше, чтобы протоколы обмена были как можно проще, и чтобы уровней этих протоколов было как можно меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать, к примеру, какой-нибудь файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом. Поля пересекаются таким образом, что всегда обнаруживаются все ошибки небольшой кратности, а с вероятностью 1/2M , где М — число битов проверочной комбинации,— ошибки более высокой кратности. Стандартные циклические коды можно теперь формировать и проверять на сдвигающих регистрах, выполняемых в виде одной интегральной схемы. Заголовок пакета обычно содержит ряд дополнительных полей помимо обязательного адресного поля. (6) 

Техника коммутации пакетов была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты обычно могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения рис. 6.

 

 
Рис. 6.  Разбиение сообщения на пакеты

Преимущества сетей с коммутацией пакетов:

- Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

- Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки сетей с  коммутацией пакетов:

- Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети.

- Переменная величина задержки пакетов данных, которые могут достигать значительных величин в моменты перегрузок сети.

- Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих  принципы коммутации пакетов и каналов. (5)

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. В методе коммутации каналов после образования  составного канала пропускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна - это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 7, а). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Тц.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи ta.p. и задержки передачи сообщения 1з.п. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V - объем сообщения в битах, а С - пропускная способность канала в битах в секунду.

Рис. 7. Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов

Процедура установления соединения в этих сетях, если она  используется, занимает примерно такое  же время, как и в сетях с  коммутацией каналов, поэтому будем  сравнивать только время передачи данных. На рис. 7. б показан пример передачи в сети с коммутацией пакетов. Предполагается, что в сеть передается сообщение того же объема, что и сообщение, иллюстрируемое рис. 7. а, однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено на рисунке Тк.п. При передаче этого сообщения, разбитого на пакеты, по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные временные задержки. Во-первых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков tп.з., плюс к этому добавляются задержки tинт, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов). Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета t_б.п. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации t_к. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксировано и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети пакетами.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов  тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 8). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

 

 

Рис. 8. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным  было бы предоставление им в единоличное  пользование скоммутированного  канала связи, как это делается в  сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее. Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 8 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Коммутация пакетов является развитием метода коммутации сообщений. Она позволяет добиться дальнейшего увеличения пропускной способности сети, скорости и надежности передачи данных. (7)

 

1.3 Датаграммная передача

 

В сетях с коммутацией пакетов сегодня применяется два класса механизмов передачи пакетов:

- датаграммная передача;

- виртуальные каналы.

Примерами сетей, реализующих  датаграммный механизм передачи, являются сети Ethernet, IP и IPX. С помощью виртуальных каналов передают данные сети X.25, frame relay и ATM. Сначала рассмотрим базовые принципы дейтаграммного подхода.

Датаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, никак не учитывается.

Выбор следующего узла — например, коммутатора Ethernet или маршрутизатора IP/IPX — происходит только на основании  адреса узла назначения, содержащегося в заголовке пакета. Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий (транзитный или конечный) узел. Такие таблицы имеют разные названия — например, для сетей Ethernet они обычно называются таблицей продвижения (forwarding table), а для сетевых протоколов, таких как IP и IPX, — таблицами маршрутизации (routing table). Далее для простоты будем пользоваться термином "таблица маршрутизации" в качестве обобщенного названия такого рода таблиц, используемых для датаграммной передачи на основании только адреса назначения конечного узла.

В таблице маршрутизации  для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих, соответственно, на различные адреса следующего маршрутизатора. Такой подход используется для повышения производительности и надежности сети. В примере на рис. 9 пакеты, поступающие в маршрутизатор R1 для узла назначения с адресом N2, А2, в целях баланса нагрузки распределяются между двумя следующими маршрутизаторами — R2 и R3, что снижает нагрузку на каждый из них, а значит, уменьшает очереди и ускоряет доставку. Некоторая "размытость" путей следования пакетов с одним и тем же адресом назначения через сеть является прямым следствием принципа независимой обработки каждого пакета, присущего датаграммным протоколам. Пакеты, следующие по одному и тому же адресу назначения, могут добираться до него разными путями и вследствие изменения состояния сети, например отказа промежуточных маршрутизаторов.

 

 
Рис. 9.  Датаграммный принцип передачи пакетов.

Такая особенность датаграммного механизма как размытость путей следования трафика через сеть также в некоторых случаях является недостатком. Например, если пакетам определенной сессии между двумя конечными узлами сети необходимо обеспечить заданное качество обслуживания. Современные методы поддержки QoS работают эффективней, когда трафик, которому нужно обеспечить гарантии обслуживания, всегда проходит через одни и те же промежуточные узлы. (8)