Коммутация

Итак, пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации. Остается нерешенной самая важная проблема: каким способом передавать данные между конечными узлами? Особую сложность при­ обретает эта задача для неполносвязной топологии сети, когда обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти л общем случае через транзитные узлы.

Например, в сети, показанной на рис. 2.14, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не свя­ занные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами А и В, а узел 5 —между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 —узел-отправитель, 1и 5 —транзитные узлы, 4 —узел-получатель.

Рис. 2.14. Коммутация абонентов через сеть транзитныхузлов

Обобщенная задача коммутации

В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач.

1.Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать марш­ руты.

2.Маршрутизация потоков.

3.Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.

4.Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.

Определение информационных потоков

Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, на­ пример, через узел 5 (см. рис. 2.14) проходят, как минимум, все данные, направляемые узлом 4 каждому из остальных узлов, а также все данные, поступающие в узлы 3,4 и 10. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, для того чтобы обеспечивать передачу каждого из них именно на тот свой интерфейс, который ведет к нужному узлу.

Информационно илипотокомданных, называютнепрерывнуюпоследоват^ность і данных*о(К^д^иншйаб0ром общихпризнаков, выделяющих этиданныеизобщвгбс^евот

трафика. Г/

Например, как поток можно определить все данные, поступающие от одного компьюте­ ра; объединяющим признаком в данном случае служит адрес источника. Эти же данные можно представить как совокупность нескольких п о д п о т о к о вкаждый, из которых в ка­ честве дифференцирующего признака имеет адрес назначения. Наконец, каждый из этих подпотоков, в свою очередь, можно разделить на более мелкие подпотоки, порожденные разными сетевыми приложениями —электронной почтой, программой копирования фай­ лов, веб-сервером. Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде различных информационных единиц данных —пакетов, кадров или ячеек.

ПРИМЕЧАНИЕ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В англоязычной литературе для потоков данных, передающихся с равномерной и неравномерной ско­ ростью, обычно используют разные термины — соответственно «data stream» и «data flow». Например, при передаче веб-страницы через Интернет предложенная нагрузка представляет собой неравномер­ ный поток данных, а при вещании музыки интернет-станцией —равномерный. Для сетей передачи данных характерна неравномерная скорость передачи, поэтому далее в большинстве ситуаций под термином «поток данных» мы будем понимать именно неравномерный поток данных и указывать на равномерный характер этого процесса только тогда, когда это нужно подчеркнуть.

Очевидно, что при коммутации в качестве обязательного признака выступает а д р е с н а ­ зн а ч е н и яданных. На основании этого признака весь поток входящих в транзитный узел данных разделяется на подпотоки, каждый из которых передается на интерфейс, соответ­ ствующий маршруту продвижения данных.

Адреса источника и назначения определяют поток для пары соответствующих конечных узлов. Однако часто бывает полезно представить этот поток в виде нескольких подпотоков, причемдля каждого из них может быть проложен свой особый маршрут. Рассмотрим при­ мер, когда на одной и той же паре конечных узлов выполняется несколько взаимодействую­ щих посети приложений, каждое из которых предъявляет к сети свои особые требования. В таком случае выбор маршрута должен осуществляться с учетом характера передаваемых

данных, например, для файлового сервера важно, чтобы передаваемые им большие объемы данных направлялись по каналам, обладающим высокой пропускной способностью, а для программной системы управления, которая посылает в сеть короткие сообщения, требую­ щие обязательной и немедленной отработки, при выборе маршрута более важна надеж­ ность линии связи и минимальный уровень задержек на маршруте. Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания ускорить передачу данных.

Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение —в первом случае они однозначно определяют поток в пределах всей сети, а во втором —в пределах одного транзитного узла. Пара адресов конечных узлов для идентификации потока —это пример глобального признака. Примером признака, локально определяющего поток в пределах устройства, может служить номер (идентификатор) интерфейса данного устройства, на который поступили данные. Например, возвращаясь к рис. 2.14, узел 1может быть настро­ ен так, чтобы передавать на интерфейс В все данные, поступившие с интерфейса А, а на интерфейс С —данные, поступившие с интерфейса D. Такое правило позволяет отделить поток данных узла 2 от потока данных узла 7 и направлять их для транзитной передачи через разные узлы сети, в данном случае поток узла 2 —через узел 5, а поток узла 7 —через узел 8.

Метка потока —это особый тип признака. Она представляет собой некоторое число, ко­ торое 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 на­ значения, таким образом, она уникально определяет поток в пределах сети. В некоторых технологиях используются локальные метки потока, динамически меняющие свое значе­ ние при передаче данных от одного узла к другому.

Таким образом, распознавание потоков во время коммутации происходит на основании при­ знаков, вкачестве которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут выступать идругие признаки, такие, напрймер, как идентификаторы приложений.

Маршрутизация

Задача маршрутизации, в свою очередь, включает в себя две подзадачи:

□определение маршрута;

□оповещение сети о выбранном маршруте.

Определить маршрут означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интер­ фейсов, 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 оптимальном1по некоторому критерию маршруте. В качестве кри­ териев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность йаналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов.

1 На практике для снижения объема вычислений ограничиваются поиском не оптимального в мате­ матическом смысле, а рационального'то есть близкого к оптимальному, маршрута.

Но даже в том случае, когда между конечными узлами существует только один путь, при сложной топологии сети его нахождение может представлять собой нетривиальную задачу.

Маршрут может определяться эмпирически («вручную») администратором сети на основа­ нии различных часто не формализуемых соображений. Среди побудительных мотивов вы­ бора пути могут быть: особые требования к сети со стороны различных типов приложений, решение передавать трафик через сеть определенного поставщика услуг, предположения о пиковых нагрузках на некоторые каналы сети, соображения безопасности.

Однако эмпирический подход к определению маршрутов мало пригоден для большой сети сосложной топологией. В этом случае используются автоматические методы определения маршрутов. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщения­ ми, позволяющий каждому узлу составить свое «представление» о сети. Затем на основе собранных данных программными методами определяются рациональные маршруты.

При выборе маршрута часто ограничиваются только информацией о топологии сети. Этот подход иллюстрирует рис. 2.15. Для передачи трафика между конечными узлами А и Ссуществует два альтернативных маршрута: А-1-2-3-С и А-1-3-С. Если мы учитываем только топологию, то выбор очевиден —маршрут А-1-3-С, который имеет меньше тран­ зитных узлов.

Решение было найдено путем минимизации критерия, в качестве которого в данном при­ мере выступала длина маршрута, измеренная количеством транзитных узлов. Однако, возможно, наш выбор был не самым лучшим. На рисунке показано, что каналы 1-2 и 2-3 обладают пропускной способностью 100 Мбит/с, а канал 1-3 —только 10 Мбит/с. Если мы хотим, чтобы наша информация передавалась по сети с максимально возможной скоро­ стью, то нам следовало бы выбрать маршрут А- 1-2-3-С, хотя он и проходит через большее количество промежуточных узлов. То есть можно сказать, что маршрут А- 1-2-3-С в данном случае оказывается «более коротким».

Абстрактный способ измерения степени близости между двумя объектами называется метрикой. Так, для измерения длины маршрута могут быть использованы разные метри­ ки —количество транзитных узлов, как в предыдущем примере, линейная протяженность маршрута и даже его стоимость в денежном выражении. Для построения метрики, учиты­ вающей пропускную способность, часто используют следующий прием: длину каждого канала-участка характеризуют величиной, обратной его пропускной способности. Чтобы оперировать целыми числами, выбирают некоторую константу, заведомо большую, чем

Т е р м и н ы «коммутация», «таблица коммутации» и «коммутатор» в телекоммуникационных сетях могут трактоваться неоднозначно. М ы уже определили ко м м у т а ц и ю как процесс соединения або­ нентов сети через транзитные узлы. Э т и м ж е термином м ы обозначаем и соединение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла. Коммутатором в ш и р о к о м смысле называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может выполняться в соответствии с различными правилами и алго­ ритмами. Некоторые способы коммутации и соответствующие и м таблицы и устройства получили специальные названия. Например, в технологиях сетевого уровня, таких как IP и IPX, для обозна­ чения аналогичных понятий используются термины «маршрутизация», «таблица маршрутизации», «маршрутизатор». В то ж е время за другими специальными типами коммутации и соответствующими устройствами закрепились те ж е самые названия «коммутация», «таблица коммутации» и «комму ­ татор», применяемые в узком смысле, например, как коммутация и коммутатор локальной сети. Д л я телефонных сетей, которые появились намного раньше компьютерных, также характерна аналогичная терминология, коммутатор является здесь синонимом телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо большей (пока) распространенности телефонных сетей чаще всего в телекоммуникациях под термином «коммутатор» п о нимают именно телефонный коммутатор.

Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае ком­ мутатор 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 коммутацион­ ную сеть, к которой подключаются все остальные. На рис. 2.17 показана коммутацион­ ная сеть, образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2,3, 4, 7, 9 и 10, 11.

Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение време­ ни. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотное диапазоне.

Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного по­ тока выполнять обратную операцию —разделение (демультиплексирование) данных на слагаемые потоки. На интерфейсе 3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих его подпотока. Один из них он передает на интерфейс 1, другой —на интерфейс 2, третий —на интерфейс 4.

Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе функции — мультиплексирование и демультиплексирование.

Частный случай коммутатора, укоторого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, на­ зывается мультиплексором. Коммутатор, который имеетодин входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором (рис. 2.19).

Разделяемая среда передачи данных

Во всех рассмотренных ранее примерах мультиплексирования потоков к каждой линии связи подключались только два интерфейса. В том случае, когда линия связи является дуплексным каналом связи, как это показане» на рис. 2.20, каждый из интерфейсов моно­ польно использует канал связи в направлении «от себя». Это объясняется тем, что ду­ плексный канал состоит из двух независимых сред передачи данных (подканалов), и так как только передатчик интерфейса является активным устройством, а приемник пассивно ожидает поступления сигналов от приемника, то конкуренции подканалов не возникает. Такой режим использования среды передачи данных является в настоящее время основным в компьютерных локальных и глобальных се гях.

Однако если^в глобальных сетях такой режим использовался всегда, то в локальных се­ тях до середины 90-х годов преобладал другой режим, основанный на разделяемой среде передачи данных.

В наиболее простом случае эффект разделе ния среды возникает при соединении двух интерфейсов с помощью полудуплексного канала связи, то есть такого канала, который может передавать данных в любом направлении, но только попеременно (рис. 2.21). В этом

случае к одной и той же среде передачи данных (например, к коаксиальному кабелю или общей радиосреде) подключены два приемника двух независимых узлов сети.

Разделяемой средой (shared medium) называется физическая среда передачи данных, к кото­ ройнепосредственно подключено несколько передатчиковузловсети. Причем в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой среде и использует ее для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде.

При таком применении среды передачи данных возникает новая задача совместного ис­ пользования среды независимыми передатчиками таким образом, чтобы в каждый отдель­ ный момент времени по среде передавались данные только одного передатчика. Другими словами, возникает необходимость в механизме синхронизации доступа интерфейсов кразделяемой среде.

Обобщением разделяемой среды является случай, показанный на рис. 2.22, когда к каналу связи подключаются более двух интерфейсов (в приведенным примере —три), при этом применяется топология ббщей шины.

Существуют различные способы решения задачи организации совместного доступа к раз­ деляемым линиям «связи. Одни из них подразумевают централизованный подход, когда доступом к каналу управляет специальное устройство —арбитр, другие —децентрали­ зованный. Если мы обратимся к организации работы компьютера, то увидим, что доступ к системной шине компьютера, которую совместно используют внутренние блоки ком­ пьютера, управляется централизованно —либо процессором, либо специальным арбитром шины.

В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Здесь проце­ дуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком большой промежуток времени и приводить к значительным потерям производительности сети. Именно по этой причине механизм разделения среды в глобальных сетях практически не используется.

На первый взгляд может показаться, что механизм разделения среды очень похож на меха­ низм 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.

Для локальных сетей разделяемая среда сравнительно долго была основным механизмом использования каналов связи, который применялся во всех технологиях локальных се­ тей —Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI. При этом в технологиях локальных сетей при­ менялись децентрализованные методы доступа к среде, не требующие наличия арбитра в сети. Популярность техники разделения среды в токальных сетях объяснялась простотой и экономичностью аппаратных решений. Например, для создания сети Ethernet на коакси­ альном кабеле никакого другого сетевого оборудования кроме сетевых адаптеров компью­ теров и самого кабеля не требуется. Наращивание количества компьютеров в локальной сети Ethernet на коаксиальном кабеле выполняется также достаточно просто —путем присоединения нового отрезка кабеля к существующему.

Сегодня в проворных локальных сетях метод р.ізделения среды практически перестал применяться. Основной причиной отказа от разделяемой среды явилась ее низкая и плохо предсказуемая производительность, а также плохая масштабируемость1. Низкая про­

1Масштабируемостью называют свойство сети допускать наращивание количества узлов и протяжен­ ность линий связи в очень широких пределах без снижения производительности.

изводительность объясняется тем, что пропускная способность канала связи делится между всеми компьютерами сети. Например, если локальная сеть Ethernet состоит из 100 компьютеров, а для их связи используются коаксиальный кабель и сетевые адаптеры, работающие на скорости 10 Мбит/с, то в среднем на каждый компьютер приходится только 0,1 Мбит/с пропускной способности. Более точно оценить долю пропускной способности, приходящуюся на какой-либо компьютер сети, трудно, так как эта величина зависит от многих случайных факторов, например активности других компьютеров. Наверно, к этому моменту читателю уже понятна причина плохой масштабируемости подобной сети —чем больше мы добавляем компьютеров, тем меньшая до.ія пропускной способности достается каждому компьютеру сети.

Описанные недостатки являются следствием самого принципа разделения среды, поэтому преодолеть их полностью невозможно. Появление в начале 90-х недорогих коммутаторов локальных сетей привело к настоящей революции в этой области, и постепенно коммута­ торы вытеснили разделяемую среду полностью.

Сегодня механизм разделения среды используется только в беспроводных локальных сетях, где среда —радиоэфир —естественным образом соединяет все конечные узлы, на­ ходящиеся в зоне распространения сигнала.

Типы коммутации

Комплекс технических решений обобщенной задач и коммутации в своей совокупности составляет основу любой сетевой технологии. Как уже отмечалось, к этим частным за­ дачам относятся:

□определение потоков и соответствующих маршрутов;

□фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых ус­ тройств;

□распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства;

□мультиплексирование/демультиплексирование потоков;

□разделение среды передачи.

і

Средимножества возможныхподходов крешениюзадаликоммутацииабонентоввсетяхвыделя­ ютдва основополагающих, к которым относяткоммутацию каналов и коммутацию пакетов.

Каждый из этих двух подходов имеет свои достоинства и недостатки. Существуют тра­ диционные области применения каждой из техник коммутации, например, телефонные сети строились и продолжают строитьсл с использованием техники коммутации каналов, а компьютерные сети в подавляющем большинстве основаны на технике коммутации пакетов. Техника коммутации пакетов гораздо моложе своей конкурентки и пытается вытеснить ее из некоторых областей, например и:* телефонии (в форме интернетили ІР-телефонии), но этот спор пока не решен, и, скорее всего, две техники коммутации будут сосуществовать еще долгое время, дополняя друг друга. Тем не менее по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технике коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.