Обзор методов и алгоритмов распределения информации на узлах связи

1.4 Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

 

Виртуальные каналы могут  быть двух видов: некоммутируемые и коммутируемые. Виртуальные каналы, которые не коммутируются, организовываются вручную (кроссированием) на заданный период времени. Виртуальные каналы, которые коммутируются, организовываются на каждый вызов абонента. В виртуальном канале на каждый такой вызов устанавливается определенный маршрут, и все пакеты данного вызова проходят по нему через сеть. Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных. (8)

Коммутация  виртуальных каналов (virtual switching) представляет собой такой вид коммутации, при  котором сочетаются достоинства  коммутации пакетов и коммутации каналов. Соединение в основном происходит на транспортном уровне модели взаимодействия открытых систем (OSI), а пользователь в таком случае освобождается от необходимости контролировать последовательность прохождения информации из сети. 
Метод временной коммутации (time-division switching) - это такой метод коммутации каналов из временного мультиплексирования, основанном на распределения данных разных каналов, что коммутируются, во временный интервал внутри кадра. Временный коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в ее элементы последовательно опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходе из возможностей элементов памяти. Сначала передается кодовая последовательность первого канала, затем другого канала и т.д., до последнего канала, после чего процесс периодически повторяется. Короткий промежуток времени, который отведен для передачи кодовой последовательности индивидуального канала, называется временным слотом (Time Slot - TS), таким образом, что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательностей TS, которые чередуются между собой. Временное разделение каналов требует синхронизации передаточного и приемного оборудования.     (9)

Если целью является прокладка для всех пакетов потока единого пути через сеть, то необходимым (но не всегда единственным) признаком такого потока должно быть наличие для всех его пакетов общих точек входа и выхода из сети. Именно для передачи таких потоков в сети создаются виртуальные каналы. На рис. 10. показан фрагмент сети, в которой проложены два виртуальных канала. Первый проходит от конечного узла с адресом N1, A1 до конечного узла с адресом N2, A2 через промежуточные коммутаторы сети R1, R3, R7 и R4. Второй обеспечивает продвижение данных по пути N3, A3 — R5 — R7 — R4 — N2, A2. Между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных каналов, как полностью совпадающих в отношении пути следования через транзитные узлы, так и отличающихся. Сеть только обеспечивает возможность передачи трафика вдоль виртуального канала, а какие именно потоки будут передаваться по этим каналам, решают сами конечные узлы. Узел может использовать один и тот же виртуальный канал для передачи всех потоков, которые имеют общие с данным виртуальным каналом конечные точки, или же только части из них. Например, для потока реального времени можно использовать один виртуальный канал, а для трафика электронной почты — другой. В последнем случае разные виртуальные каналы будут предъявлять разные требования к качеству обслуживания, и удовлетворить их будет проще, чем в том случае, когда по одному виртуальному каналу передается трафик с разными требованиями к параметрам QoS.

 

 

 
Рис. 10.  Принцип работы виртуального канала.

Важной особенностью сетей с виртуальными каналами является использование локальных адресов пакетов при принятии решения о передаче. Вместо достаточно длинного адреса узла назначения (его длина должна позволять уникально идентифицировать все узлы и подсети в сети, например технология АТМ оперирует адресами длиной в 20 байт) применяется локальная, то есть меняющаяся от узла к узлу, метка, которой помечаются все пакеты, перемещаемые по определенному виртуальному каналу. Эта метка в различных технологиях называется по-разному: в технологии X.25 — номер логического канала (Logical Channel number, LCN), в технологии frame relay — идентификатор соединения уровня канала данных (Data Link Connection Identifier, DLCI), в технологии АТМ — идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Однако назначение ее везде одинаково — промежуточный узел, называемый в этих технологиях коммутатором, читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, в которой указывается, на какой выходной порт нужно передать пакет. Таблица коммутации содержит записи только о проходящих через данный коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех имеющихся в сети узлах (или подсетях, если применяется иерархический способ адресации). Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше количества узлов и подсетей, поэтому по размерам таблица коммутации намного меньше таблицы маршрутизации, а, следовательно, просмотр занимает гораздо меньше времени и не требует от коммутатора большой вычислительной мощности.

Идентификатор виртуального канала (именно такое название метки будет использоваться далее) также намного короче адреса конечного узла (по той же причине), поэтому и избыточность заголовка пакета, который теперь не содержит длинного адреса, а переносит по сети только идентификатор, существенно меньше. (8)

 

1.5 Коммутация сообщений

 

По мере того как в  различных странах мира одна за другой вводились в эксплуатацию системы телеграфной связи, развивались национальные сети связи. Сообщение можно было послать из одного пункта в другой даже в тех случаях, когда эти два пункта не обслуживались общей телеграфной линией. В этом случае операторы телеграфной службы на промежуточных станциях осуществляли прием сообщения по одной линии и передачу его по другой. Если телеграфная станция обслуживала несколько исходящих из нее линий, то процесс пересылки сообщения с одной линии на другую превращался, по существу, в процесс коммутации.

Процесс переброса сообщения  с одной телеграфной линии  на другую (или его коммутация) стал полуавтоматическим, когда были созданы  телетайпы с перфораторами бумажной ленты и устройствами считывания. Входящее сообщение можно было автоматически закодировать и записать на перфоленте на одном телетайпе и затем считать на другом телетайпе для передачи по соответствующей исходящей линии. Процесс пересылки сообщения с одной линии на другую описанным выше способом привел к появлению систем, получивших название систем коммутации сообщений с отрывом ленты. Некоторые системы коммутации с отрывом ленты существуют еще и в настоящее время.

Одна из самых крупных  в мире систем коммутации сообщений  была полностью автоматизирована в 1963 г., когда фирма Collins Radio Company of Cedar Rapids ввела в эксплуатацию систему коммутации сообщений на базе ЭВМ для авиакомпаний стран Северной Америки. Эта система и ее более поздние аналоги исключили пересылки перфоленты, заменив их запоминанием входящих сообщений непосредственно в памяти машины (дисковый файл) и последующим направлением их автоматически на соответствующую исходящую линию, когда она свободна. Поэтому этот способ работы часто называют коммутацией сообщений с промежуточным накоплением.

Поскольку каждое сообщение сопровождается заголовком, содержащим адрес и, возможно, информацию о маршрутизации, то процессор сообщений на каждом узле может определить, на какую исходящую линию следует коммутировать сообщение. Как показано на рис. 11, на каждом узле процессор формирует очереди сообщений для передачи по каждой исходящей линии связи. Обычно применяется дисциплина обслуживания сообщений из очереди по принципу «первым пришел — первым обслужен». Однако иногда заголовок может содержать информацию об уровне приоритета сообщения, либо данные о качестве обслуживания, и тем самым позволяет произвести перестановки в очереди, помещая критичные ко времени сообщения в начало очереди.

Рис. 11. Сеть с коммутацией  сообщений

Сеть коммутации сообщений  принципиально отличается от сети коммутации каналов тем, что источник и пункт назначения не взаимодействуют в реальном масштабе времени. В действительности большинство сетей коммутации сообщений могут обеспечивать передачу сообщения с задержанной доставкой, если узел назначения занят или не имеет возможности обслужить эту нагрузку. В этом случае нет необходимости определять состояние узла назначения до начала передачи сообщения, как при коммутации каналов.

При этом виде организации  сети информация передается порциями, сообщениями. Прямое соединение при этом не устанавливается. Передача сообщений начинается после освобождения первого из имеющихся каналов, потом следующий освободившийся и так до тех пор, пока сообщение не дойдет до адресата. При этом серверы принимают информацию, собирают, проверяют, устанавливают возможный маршрут (осуществляют так называемую маршрутизацию) и передают сообщение целиком по этапу. Недостатки:

- низкая скорость передачи;

- невозможность диалога между клиентами в реальном времени.

Достоинство - снижение цены передачи.

Сети коммутации сообщений  принципиально отличаются от сетей  коммутации каналов также и тем, как они реагируют на перегрузку. Сеть коммутации каналов блокирует  или сбрасывает избыточную нагрузку, а сеть коммутации сообщений принимает  обычно всю поступающую нагрузку, однако увеличивает время доставки сообщения, которое является следствием увеличения средних значений длин очереди.

Другое важное отличие  сети коммутации сообщений состоит  в том, что линии передачи никогда  не бывают свободными, если имеется  для них нагрузка, ожидающая обслуживания. В сети коммутации каналов канал  может быть закреплен за определенным соединением, но не за фактически обслуживаемой нагрузкой. Таким образом, часть пропускной способности может простаивать, в то время как абонентам отказывают в обслуживании. В противоположность этому использование линий передачи в сети коммутации сообщений непосредственно зависит от реального потока информации. Можно достичь сколь угодно высокого использования каналов, если допустить большие значения времени пребывания сообщения в очереди. (10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Обзор алгоритмов распределения информации на узлах связи

 

В общем случае решение каждой из частных задач коммутации — определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи — тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства. (8)

Сети, которые обеспечивают коммутацию каналов, сообщений и  пакетов, называют интегральными. Они объединяют несколько коммутационных сетей. При этом часть каналов используется монопольно, для прямых сообщений. Прямые каналы организуется на время проведения сеанса между отдельными сетями. После окончания сеанса прямой канал распадается на независимые магистральные каналы.

При разработке информационной сетевой  технологии одна из главных задач - это согласование ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и целого ряда других устройств сети. Согласование производится путем установления целого ряда правил, которые называются протоколами. Осуществления действий по протоколам совместно с осуществлением управления серверами называется сетевой операционной системой. Часть протоколов реализуются аппаратно, часть - программно.

Международная организация по стандартам МОС (ISO) разработала правила взаимосвязи систем, которые могут иметь различные технические средства. MOC ввела понятие "архитектура открытых систем".

Сложная информационная сеть - это информационная система. Система разбивается на подсистемы (метод декомпозиции). Каждая подсистема - или уровень - выполняет только свои, присущие ей функции. МОС установила 7 таких подсистем - уровней.

1 уровень - физический. Он определяет физические характеристики каналов: характеристики разъемов (RS;X.2I и т.д.), электрические характеристики сигналов: несущие частоты; полосы пропускания.

По типу характеристик  сети делятся на аналоговые (телефонные) и цифровые.

2 уровень - канальный. На этом уровне происходит управление передачей данных межу двумя узлами сети. Здесь же контролируется корректность информации, оформленной в виде блоков. Каждый блок информации имеет контрольную метку. Не только выявляются ошибки, но и корректируются. В современных сетях контроль и коррекция выполняются аппаратными методами. На этом же уровне производится сжатие информации. Причем используются те же алгоритмы что и в архиваторах ARC и PKZIP. Длина передаваемого блока меняется в зависимости от качества канала.

3 уровень - сетевой. Здесь обеспечивается управление потоком информации, маршрутизация. Здесь же устанавливается соглашения о способах адресации. Например, можно организовать передачу информации с нескольких источников (модемов) по одному каналу.

4 уровень - транспортный. Он отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, которые находятся на разных ЭВМ сети.

5 уровень - сеансовый. Он определяет правила диалога прикладных программ. Он же проверяет права доступа к сетевым ресурсам.

6 уровень - представительный. Он определяет форматы данных, алфавиты, коды, графические символы.

7 уровень - прикладной. Он определяет уровень услуг сети. (Например, только электронная почта, или еще и телекст, или еще и видеотеки).

Семиуровневая модель OSI (Open System Interconnection) - форма описания информационной системы, ее структуры, входящих компонентов, а также правил и процедур взаимодействия элементов системы в процессе работы. Каждый уровень действует (или организован) по своему протоколу.

В таблице 1 приведены  примеры протоколов для каждого  уровня. (11)

7 Layer	Протоколы: FTAM;X.400;NFS (каждая посылка - это сообщение)
6 Layer	Протоколы: AFP;ASN.4;XDR (преобразование форматов данных, кодирование декодирование.)
5 Layer	Протоколы: ISO8327;RPS(контроль диалога определение начала и  конца связи, время рассеяние.)
4 Layer	Протоколы: SPX;UDP;TCP;NSP (установление транспортного соединения, управляет  потоками данных, исправляет ошибки.)
3 Layer	Протоколы: IP;IPX(определяет маршрутизацию, устанавливает сетевое  соединение.)
2 Layer	Протоколы: X.21;RS32 (посылка - последовательность битов.)
1 Layer	Протоколы: SDLC;LLC (посылка - пакет.)