Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
3.Общие принципы построения сетей. Коммутация каналов и пакетов
Интерфейс (в широком смысле) — логическая или физическая граница между взаимодействующими независимыми объектами.
Физический интерфейс (порт) — определяется набором электрических связей и характеристиками сигналов. Обычно представляет собой разъём с группой электрических контактов. Пара разъёмов соединяется кабелем, состоящим из набора проводов, каждый из которых соединяет соответствующие контакты. В таких случаях говорят о создании линии (канала) связи между двумя устройствами.
Логический интерфейс (протокол) — это набор информационных сообщений определённого формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями.
Например, интерфейс компьютер-компьютер позволяет двум компьютерам обмениваться информацией. С каждой стороны он реализуется аппаратным (сетевой адаптер) и программным модулем (драйвер сетевого адаптера).
Сетевая служба (сетевой сервис) — это набор компонентов, обеспечивающих доступ клиентов к отдельным видам ресурсов или специальные режимы использования этих ресурсов. Примеры некоторых сетевых служб:
∙Файловая служба — позволяет клиентам получать доступ к файлам, хранящимся на дисках других компьютеров.
∙Служба печати — позволяет клиентам получать доступ к принтерам в компьютерной сети.
∙Служба каталогов — средство иерархического представления ресурсов, принадлежащих некоторой отдельно взятой организации, и информации об этих ресурсах.
∙Web-служба — позволяет клиентам получать доступ к сайтам в Интернете.
∙Службы обмена сообщениями между пользователями сети.
∙Службы сетевой инфраструктуры (DNS, DHCP, WINS) — обеспечивающие функционирование и облегчающие администрирование компьютерной сети.
Операционная система (ОС) — взаимосвязанный набор системных программ, обеспечивающих управление ресурсами компьютера (памятью, процессором, внешними устройствами, файлами,. . . ), а также предоставляющих пользователю удобный интерфейс для работы.
Сетевая операционная система — ОС, которая помимо управления локальными ресурсами, предоставляет пользователям доступ к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети.
— 16 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
Коммутация. Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут. Например, в сети, показанной на рис. 3.1, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами и , а узел 5 — между интерфейсами и . В данном случае маршрутом является последовательность: 2 − 1 − 5 − 4, где 2 — узел-отправитель, 1 и 5 — транзитные узлы, 4 — узел-получатель.
Рис. 3.1. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов
Обобщённая задача коммутации. В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач:
∙Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты.
∙Маршрутизация потоков.
∙Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.
∙Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Информационным потоком (или потоком данных) называют непрерывную последовательность данных, объединённых набором общих признаков, выделяющих эти данные из общего сетевого трафика.
Распознавание потоков во время коммутации происходит на основании признаков, в качестве которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут выступать и другие признаки, такие, например, как идентификаторы приложений.
Метка потока — это некоторое число (признак), которое несут все данные потока. Глобальная метка назначается данным потока и не меняет своего значения на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла
— 17 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
назначения, таким образом, она уникально определяет поток в пределах сети. В некоторых технологиях используются локальные метки потока, динамически меняющие свое значение при передаче данных от одного узла к другому.
Маршрутизация. Задача маршрутизации включает в себя две подзада-
чи:
∙определение маршрута;
∙оповещение сети о выбранном маршруте.
Определить маршрут — означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута — сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном (по некоторому критерию) маршруте.
Абстрактный способ измерения степени близости между двумя объектами называется метрикой. Для измерения длины маршрута могут быть использованы разные метрики: количество транзитных узлов, линейная протяженность маршрута, его стоимость в денежном выражении. Метрика маршрута равна сумме метрик составляющих его последовательных каналов.
После того как маршрут определен (вручную или автоматически), надо оповестить о нём все устройства сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: «каждый раз, когда в устройство поступят данные, относящиеся к потоку , их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс ». Каждое подобное сообщение о маршруте обрабатывается устройством сети, в результате создаётся новая запись в таблице коммутации. В этой таблице локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передавать данные, относящиеся к этому потоку.
Коммутаторы. Сетевой коммутатор (switch) — устройство, предназначенное для коммутации информационных потоков (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Коммутатор (switch)
— 18 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации (в этом случае коммутатор называется программным). Компьютер может совмещать функции коммутации данных с выполнением своих обычных функций как конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть, к которой подключаются все остальные.
Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен выяснить, к какому потоку они относятся.
Мультиплексирование и демультиплексирование. Демультиплексирование — разделение суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков.
Мультиплексирование — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который передаётся по одному физическому каналу связи. Другими словами, мультиплексирование — это способ разделения одного имеющегося физического канала между несколькими одновременно протекающими сеансами связи между абонентами сети.
На рис. 3.3 показан фрагмент сети, состоящий из трёх коммутаторов. Коммутатор 1 имеет четыре сетевых интерфейса. На интерфейс 1 поступают данные с двух интерфейсов: 3 и 4. Их надо передать в общий физический канал, т. е. выполнить операцию мультиплексирования.
Рис. 3.3. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации
Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение во времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передаёт по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передаёт данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе функции: мультиплексирование и демультиплексирование. Частный случай коммутатора, у которого все входящие информационные потоки коммути-
— 19 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
руются на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, называется мультиплексором. Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором.
Разделяемая среда. Разделяемой средой (shared medium) называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключено несколько передатчиков узлов сети. Причём в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой среде и использует её для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде.
При таком применении среды передачи данных возникает новая задача совместного использования среды независимыми передатчиками таким образом, чтобы в каждый отдельный момент времени по среде передавались данные только одного передатчика. Другими словами, возникает необходимость в механизме синхронизации доступа интерфейсов к разделяемой среде.
На первый взгляд может показаться, что механизм разделения среды очень похож на механизм мультиплексирования потоков: в том и другом случаях по линии связи передаются несколько потоков данных. Однако здесь есть принципиальное различие, касающееся того, как контролируется (управляется) линия связи. При мультиплексировании дуплексная линия связи в каждом направлении находится под полным контролем одного коммутатора, который решает, какие потоки разделяют общий канал связи.
Существуют различные способы решения задачи организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. Одни из них подразумевает централизованный подход, когда доступом к каналу управляет специальное устройство — арбитр, другие — децентрализованный.
Сегодня в проводных локальных сетях метод разделения среды практически перестал применяться, вместо него используют коммутаторы. Основной причиной отказа от разделяемой среды явилась её низкая и плохо предсказуемая производительность, а также плохая масштабируемость. Поэтому механизм разделения среды используется только в беспроводных локальных сетях.
Типы коммутации. Комплекс технических решений обобщённой задачи коммутации в своей совокупности составляет основу любой сетевой технологии. К этим частным задачам относятся:
∙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;
∙разделение среды передачи.
—20 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов (circuit switching) и коммутацию пакетов (packet switching).
При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединённых коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создаётся составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных: запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т. д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже 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 на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки всего сообщения. Пакеты транспортируются по 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.
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. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передаётся следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.
Коммутация каналов. Элементарный и составной канал. Элементарный канал — это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное (в пределах данного типа сетей) значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с
— 21 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу (принятому для данного типа сети).
Составной канал — временная связь, построенная путём коммутации элементарных каналов. Составной канал на всём своём протяжении должен иметь одинаковую «толщину» (число элементарных каналов); благодаря этому он на всём своём протяжении имеет постоянную пропускную способность. На время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых этот составной канал был создан. Абоненты не могут передавать данные со скоростью, превышающей пропускную способность составного канала. Данные, передаваемые по каналу, гарантированно доставляются абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью, с какой их формировал источник.
Обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения: абонент, являющийся инициатором сеанса связи, посылает в коммутационную сеть запрос, содержащий адрес вызываемого абонента. Для удовлетворения запроса требуется соблюдение двух условий: незанятость вызываемого абонента и наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от первого абонента ко второму. Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения.
Сети с коммутацией каналов наиболее эффективно передают пользовательский трафик в том случае, когда скорость его постоянна в течение всего сеанса связи и максимально соответствует фиксированной пропускной способности физических линий связи. Эффективность работы сети снижается, когда информационные потоки, генерируемые абонентами, приобретают пульсирующий характер.
Для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика была специально разработана техника коммутации пакетов.
Коммутация пакетов. Пакет — это отдельная порция данных, передаваемых по сети. Каждый пакет имеет заголовок, содержащий адрес назначения и другую служебную информацию. Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линии связи, скорость их доставки не фиксирована. Каждый пакет (в том числе, принадлежащий тому же информационному потоку) может доставляться по своему маршруту; в результате к месту назначения пакеты доставляются с различными задержками и даже не в том прядке, в каком они передавались источником. Поэтому приёмник, чтобы «собрать» из пакетов исходное сообщение, должен использовать буферную память.
Пакетные коммутаторы в сетях с коммутацией пакетов могут использовать один из трёх методов продвижения пакетов: дейтаграммную передачу, передачу с установлением логического соединения и передачу с установлением логического канала.
— 22 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации, 2012
Дейтаграммная передача. Дейтаграмма (datagram) — пакет, передаваемый по сети без предварительного установления соединения и без создания виртуального канала. При дейтаграммном способе передачи все пакеты передаются от одного узла сети к другому независимо друг от друга, по единым правилам. Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации, ставящей в соответствие адресам назначения пакетов информацию, однозначно определяющую следующий по маршруту узел.
Передача с установлением логического соединения. Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения. Наличие логического соединения позволяет более рационально обрабатывать пакеты (по сравнению с дейтаграммным способом); оно позволяет организовать отслеживание недоставленных пакетов, посылку копий и отбрасывание дубликатов пакетов и т. д.
Передача с установлением виртуального канала. Виртуальный канал — это заранее проложенный фиксированный маршрут, по которому проходят все пакеты, переданные в рамках одного соединения. Во всех пакетах, передаваемых по виртуальному каналу, вместо адреса назначения используется метка виртуального канала. Запрос на установление соединения с использованием виртуального канала, инициированный некоторым узлом сети, в каждом сетевом коммутаторе, расположенном на пути между исходным узлом и адресатом, формирует новую запись, которая указывает коммутатору, как обрабатывать каждый последующий пакет, имеющий указанную метку.
Вопросы.
1.С какими ресурсами компьютера могут совместно работать несколько пользователей сети?
2.Приведите примеры сетевых служб.
3.Дайте определения следующих понятий: а) порт; б) протокол; в) логический интерфейс; г) физический интерфейс.
4.В чём состоит и как решается задача маршрутизации?
5.Какие два основных подхода используются для организации совместного использования разделяемой среды несколькими передатчиками?
6.Приведите аргументы за и против использования разделяемой среды в LAN и WAN.
— 23 —