11. Методы коммутации

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефон­ных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодей­ствующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. По­этому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в се­тях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching).

Коммутация каналовподразумевает образование непрерывного составного физи­ческого канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются меж­ду собой специальной аппаратурой —коммутаторами, которые могут устанавли­вать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.Коммутация пакетов —это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Подкоммутацией сообщенийпонимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произволь­ную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содер­жанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети несколькими абонентскими каналами используются две технологии: частотного разделения канала (FDM) и разделения канала во времени (TDM). Частотное разделение, характерно для аналоговой модуляции сигналов, а временное —для цифрового кодирования.

Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, например потоки данных, создаваемые разговаривающими по телефону собеседниками, но не могут перераспределять пропускную способность магистральных каналов между потоками абонентских каналов динамически.

Сети с коммутацией пакетов были специально разработаны для эффективной передачи пульсирующего компьютерного графика. Буферизация пакетов раз­ных абонентов в коммутаторах позволяет сгладить неравномерности интенсив­ности графика каждого абонента и равномерно загрузить каналы связи между коммутаторами.

Сети с коммутацией пакетов эффективно работают в том отношении, что объем передаваемых данных от всех абонентов сети в единицу времени больше, чем при использовании сети с коммутацией каналов. Однако для каждой пары або­нентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с ком­мутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

Сети с коммутацией пакетов могут работать в одном из двух режимов: дейта-граммном режиме или режиме виртуальных каналов.

Размер пакета существенно влияет на производительность сети. Обычно паке­ты в сетях имеют максимальный размер в 1-4Кбайт.

Коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользо­вателей в режиме off-line, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. При этом методе коммутации сообщение передается через несколько транзит­ных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске.

12. Протокольный стек TCP/IP

Комплект протоколов TCP/IP разрабатывался для сети Интернет в настоящее время он широко распространен как в локальных, так и в глобальных сетях. Комплект протоколов Интернета состоит из набора общедоступных (по сети) документов RFC, созданных коллек­тивными усилиями мирового сетевого сообщества.

Передача данных в Интернете основана на принципе коммутации пакетов, в соответствии с которым поток данных, передаваемых от одного узла к другому, разбивается на пакеты, передающиеся в общем случае через систему коммуника­ций и маршрутизаторов независимо друг от друга и вновь собирающиеся на при­емной стороне. Весь комплект базируется на IP - протоколе негарантированной доставки пакетов (дейтаграмм) без установления соединения.

Информация в TCP/IP передается пакетами со стандартизованной структу­рой, называемыми IP-дейтаграммами, имеющими поле заголовка и поле данных. Конечные узлы — от­правители и получатели информации, называются хостами (host), промежуточ­ные устройства, оперирующие IP-пакетами (анализирующие и модифицирую­щие информацию IP-заголовков), называют шлюзами. Поля имеют следующее назначение: Version, 4 бита — номер версии протокола, определяющий формат заголов­ка. В настоящее время широко используется версия 4, и дальнейшее опи­сание относится к ней. IHL (Internet Header Length), 4 бита — длина заголовка в 32-битных словах (не менее 5).

• Total Length, 16 бит — общая длина дейтаграммы (заголовок и данные) в октетах (байтах). Допускается длина до 65 535 байт, но все хосты безу­словно допускают прием пакетов длиной только до 576 байт. Пакеты боль­шей длины рекомендуется посылать только по предварительной догово­ренности с принимающим хостом.

• Identification, 16 бит — идентификатор, назначаемый посылающим узлом для сборки фрагментов дейтаграмм.

• Flags, 3 бита — управляющие флаги:

• бит 0 — резерв, должен быть нулевым;

• бит 1 — DF (Don't Fragment — запрет фрагментирования): 0—дейтаг­рамму можно фрагментировать, 1 — нельзя;

• бит 2 — MF (More Fragments — будут еще фрагменты): 0 — последний фрагмент, 1 — не последний.

• Fragment Offset, 13 бит — местоположение фрагмента в дейтаграмме (сме­щение в 8-байтных блоках). Первый фрагмент имеет нулевое смещение.

• Time to Live (TTL), 8 бит — время жизни пакета в сети, формально — в секун­дах. Нулевое значение означает необходимость удаления дейтаграммы. Начальное значение задается отправителем, шлюзы декрементируют поле по получении пакета и каждую секунду пребывания пакета в очереди на обработку (пересылку). Поскольку современное оборудование редко за­держивает пакет более чем на секунду, это поле может использоваться для подсчета промежуточных узлов (hop count). Заданием TTL можно управ­лять дальностью распространения пакетов: при TTL=1 пакет не может выйти за пределы подсети отправителя.

• Protocol, 8 бит — идентификатор протокола более высокого уровня, ис­пользующего поле данных пакета.

• Header Checksum, 16 бита — контрольная сумма заголовка. Сумма по моду­лю 2¹⁶ всех 16-битных слов заголовка (вместе с контрольной суммой) должна быть нулевой. Контрольная сумма должна проверяться и пересчи­тываться в каждом шлюзе в связи с модификацией некоторых полей (TTL).

• Source Address, 32 бита — IP-адрес отправителя.

• Destination Address, 32 бита — IP-адрес получателя.

• Options — опции пакета, длина произвольна (опции могут и отсутствовать). Опции могут быть в одном из вариантов формата:

• один октет с типом опций;

• октет типа (см. ниже), октет длины опции (включая октет типа, октет длины и собственно данные) и октеты данных опции.

• Padding — заполнитель, выравнивающий пакет до 32-битной границы.

Октет типа опции имеет следующие поля:

• 1 бит — флаг копирования опций во все фрагменты: 0 — не копируются; 1 — копируются.

• 2 бита — класс опции: 0 — управление, 2 — отладка и измерения, 1 и 3 — резерв.

• 5 бит — номер опции. Опции, определенные для Интернета, приведены в табл. 2.1.

В дейтаграмму длиной 576 байт умещается 512-байтный блок данных и 64-байтный заголовок (размер заголовка может составлять 20-60 байт). Длина дейта­граммы определяется сетевым ПО так, чтобы она умещалась в поле данных сете­вого кадра, осуществляющего ее транспортировку. Поскольку по пути следова­ния к адресату могут встречаться сети с меньшим размером поля данных кадра, IP специфицирует единый для всех маршрутизаторов метод сегментации — раз­бивки дейтаграммы на фрагменты (тоже IP-дейтаграммы) и реассемблирования — обратной ее сборки приемником. Фрагментированная дейтаграмма соби­рается только ее окончательным приемником, поскольку отдельные фрагменты могут добираться до него различными путями. Порядок сборки определяется смещением фрагмента, перекрытие фрагментов и даже выход фрагмента за заявленный размер собираемого пакета, как правило, не контролируются. На основе этих свойств алгоритма сборки «умельцы» осуществляют взлом сетевых ОС. Возможна также конкатенация — соединение нескольких дейтаграмм в одну и сепарация — действие, обратное конкатенации. Казавшийся вполне достаточным во времена разработки, формат заголовка пакета стал уже тесным. В настоящее время готовится переход на протокол IP v.6, который имеет следующие основные отличия: Расширение поля адреса с 32 до 128 бит;обеспечение возможности автоконфигурирования узлов; Выравнивание полей заголовка с целью ускорения обработки пакетов; Обеспечение возможностей для большей расширяемости протокола.