7.4 Дейтаграммный метод передачи и передача с предварительным установлением соединения

Дейтаграмма (datagram) – это самостоятельный пакет, в заголовке которого содержится полная информация, необходимая для его передачи от источника к получателю независимо от всех предыдущих и последующих пакетов, даже если они являются частями одного сообщения. Поэтому в каждом центре коммутации каждую приходящую дейтаграмму обрабатывают как новое сообщение, вследствие чего во время сеанса связи двух абонентов пакеты могут приходить в пункт назначения по разным путям, с различным запаздыванием и даже не в том порядке, в каком они были переданы. Некоторые пакеты могут быть потеряны (искажены из-за воздействия помех). Дейтаграммный способ передачи – это наиболее полное воплощение идей метода коммутации пакетов.

Примером сети, в которой используется дейтаграммный метод передачи, является Интернет (стек протоколов TCP/IP). Заголовок пакета содержит следующую информацию: номер версии протокола IP; длина заголовка; требуемый тип обслуживания (малая задержка, высокая надежность и т.п.); общая длина пакета; общая длина, флаг и величина смещения фрагмента (информация, необходимая для сборки пакета из фрагментов, на которые в случае необходимости он был разбит в одном из центров коммутации); время жизни (число маршрутизаторов на пути пакета, после прохождения которых пакет уничтожается как заблудившийся); тип протокола верхнего уровня, нужного для обработки данных в пакете; контрольная сумма (проверочные биты) заголовка; полный числовой адрес отправителя; полный числовой адрес получателя и прочее.

Этот список приведен лишь для того, чтобы показать, что длина заголовка велика. Вслед за заголовком идет информационная часть пакета, которая также кодируется циклическим кодом с 16 проверочными символами. Чтобы избыточность была не слишком большой, информационную часть следует увеличить, в итоге общая длина пакета может доходить до 64 кбайт.

Сеть, в которой применяется дейтаграммный метод передачи, функционирует по принципу самоорганизации, она не имеет общего управления, хотя есть общие базы данных. Используются довольно простые протоколы, в узлах сети имеется минимум информации о проходящих пакетах и качестве обслуживания. Все это обеспечивает высокую живучесть сети и открывает широкие возможности для ее наращивания и изменения структуры.

С другой стороны, в каждом узле (центре коммутации) в случае обнаружения ошибок в предыдущий узел посылается запрос на повторную передачу пакета. Послать такой запрос можно только после завершения приема всего пакета. Из-за этого при передаче длинных пакетов по низкоскоростным линиям, характеризующимся высокой вероятностью появления ошибок, возникают большие случайные задержки. В итоге чрезвычайно трудно обеспечить высокое качество обслуживания.

Таким образом, дейтаграммный метод малопригоден для скоростной высококачественной передачи больших объемов информации. Это положение может измениться, если на всех участках тракта от источника к получателю будут использоваться каналы с высокой пропускной способностью и столь малой вероятностью появления ошибок, при которой повторные передачи пакетов станут весьма редкими.

Указанный недостаток дейтаграммного метода привел к разработке методов передачи с коммутацией пакетов с предварительным установлением соединения, основанных на идее создания виртуального канала.

Первый пакет из серии пакетов, представляющей сообщение, которое предстоит передать конкретному получателю, направляется до ближайшего центра коммутации. Этот пакет имеет заголовок большого объема и подобен заголовку дейтаграммы, то есть содержит всю необходимую информацию для его доставки в пункт назначения. Поэтому он передается таким же образом, как передавалась бы дейтаграмма. Разница заключается в следующем. При использовании дейтаграммного метода центру коммутации, через который проходит очередной пакет, нет необходимости запоминать сведения, содержащиеся в заголовке этого пакета, так как в заголовке следующего пакета будет то же самое. При передаче пакетов с предварительным установлением соединения в каждом центре коммутации, через который проходит первый пакет серии, запоминаются сведения, содержащиеся в его заголовке, для того, чтобы знать, что нужно делать с остальными пакетами этой же серии.

Все остальные пакеты серии пойдут по тому же маршруту, поэтому их заголовки могут быть очень короткими. В заголовке каждого пакета достаточно указать его порядковый номер в серии (во избежание путаницы при повторных передачах пакетов с ошибками) и краткое указание на принадлежность данного пакета к конкретной серии, так как каждый центр коммутации одновременно обслуживает несколько серий.

Таким образом первый пакет серии прокладывает путь остальным пакетам, то есть создает сквозной виртуальный канал. Он так называется потому, что существует постоянно в течение всего времени передачи серии пакетов не как реальное соединение линий передачи, а лишь в виде записей в центрах коммутации вдоль маршрута. Виртуальный канал превращается в физический канал лишь на короткое время передачи очередного пакета от одного центра коммутации к соседнему. Последний пакет серии несет команду удалить из памяти центров коммутации те сведения, которые были переданы с первым пакетом, после чего данный виртуальный канал просто перестает существовать (произошло разъединение абонентов). Если во время передачи серии на одном из участков произошла авария, то, в отличие от дейтаграммного метода, передача пакетов прерывается, и виртуальный канал разрушается. Чтобы продолжить передачу, нужно заново осуществить процедуру установления соединения (все описанное напоминает то, что происходит в сети с коммутацией реальных каналов).

Центр коммутации, направляя очередной пакет к соседнему центру, вносит в заголовок этого пакета короткий порядковый номер, который при установлении соединения был присвоен данной серии. На каждом исходящем направлении ведется собственная нумерация, при этом номера, освободившиеся после окончания какой-либо серии, используются для нумерации вновь созданных соединений. Такой короткий номер, называемый номером исходящего виртуального канала, вполне заменяет длинный полный адрес пункта назначения. Для следующего центра коммутации этот номер играет роль номера входящего виртуального канала, и его вполне достаточно, чтобы определить, к какой серии принадлежит пакет. Направляя пакет дальше, центр коммутации вносит в заголовок этого пакета свой номер исходящего виртуального канала.

Главное преимущество методов пакетной передачи с предварительным установлением соединения по сравнению с дейтаграммным методом – это существенно меньшая длина заголовков передаваемых пакетов, что заметно уменьшает избыточность. Можно использовать более короткие пакеты, что также повышает скорость и достоверность передачи. С другой стороны, обработка пакетов в центрах коммутации усложняется.

Одним из первых протоколов такого типа, определяющих принципы функционирования вторичных сетей на основе низкоскоростных цифровых или снабженных модемами аналоговых каналов, является протокол Х.25 (1974 год). Очередной пакет (кадр) в начале и в конце имеет синхросигнал – флаг 01111110. Номер виртуального канала содержит от 6 до 10 бит. Для обнаружения ошибок применяется кодирование циклическим кодом с 16 проверочными символами. Если обнаружены ошибки, в предыдущий узел посылается запрос на повторную передачу пакета, что приводит к дополнительным задержкам. Протокол Х.25 еще слабо использует преимущества предварительного установления соединения, поэтому гарантии обеспечения требуемого качества обслуживания не намного выше по сравнению с дейтаграммным методом.

Следующий шаг по использованию этих преимуществ был сделан при разработке технологии Frame Relay, ориентированной на использование оптоволоконных линий. Они отличаются высокой верностью передачи, то есть количество ошибочных пакетов оказывается на 1-3 порядка меньше, чем при передаче с использованием других линий. Учитывая это, во всех промежуточных узлах проводится обнаружение ошибок лишь в заголовках пакетов, а информационная часть не проверяется. Если в заголовке ошибок не обнаружено, то сразу, не дожидаясь окончания ввода всего пакета, начинается его передача к следующему узлу. Если в заголовке обнаружены ошибки, пакет уничтожается.

Обнаружение ошибок в информационной части пакета проводится лишь в оконечном узле. Если в пакете обнаружены ошибки, запрос на его повторную передачу (и передачу потерянных пакетов) направляется в первый узел. Это, конечно, немного увеличивает нагрузку в сети, но зато существенно ускоряет обработку пакетов в узлах сети.

Использование оптоволоконных линий предполагается и в еще более современной технологии, называемой асинхронным режимом переноса, но обычно применяется сокращенное название ATM (Asynchronous Transfer Mode). В дополнение к тому, что было сказано о технологии Frame Relay, все пакеты, называемые ячейками АТМ, имеют фиксированную и довольно малую длину – 53 байта. Из них 5 байт – это заголовок, остальные 48 байт – информационная часть. Из 40 бит заголовка 8 позиций отведено для проверочных символов циклического кода с порождающим полиномом g(x)=x⁸+ x²+ x+1.

Длина ячейки выбрана на основе компромисса между потребностями телефонии (желательно использовать короткие пакеты для уменьшения задержек) и передачи данных (желательно использовать более длинные пакеты для уменьшения избыточности). Единый размер ячеек независимо от их содержимого заметно упрощает и ускоряет их обработку в узлах сети.

Второе отличие сети АТМ от остальных сетей с коммутацией пакетов – это гарантия обеспечения заявленного качества обслуживания, разумеется, лишь после установления соединения (напомним, что именно это мы отметили как главное достоинство метода коммутации каналов).

Посылая запрос на установление соединения, абонент заявляет свои требования к средней скорости передачи, допустимым величинам задержек и вероятности ошибок. Сеть анализирует требования тех абонентов, для которых она уже установила соединения (разумеется, виртуальные), и оценивает свои возможности удовлетворить требования новой заявки. Если возможность есть, заявка принимается, если нет, то следует отказ в установлении соединения. Вызывающий абонент может сделать новую попытку (как в сети с коммутацией каналов).

Поскольку передача пакетов – процесс случайный, сеть может оценить свои возможности лишь в вероятностном смысле. Может возникнуть ситуация, когда на каком-либо участке нагрузка превышает его пропускную способность, поэтому часть пакетов придется выбросить. В первую очередь уничтожаются пакеты от тех абонентов, которые превышают свои требования, но уровень приоритета при этом учитывается, как и в любой другой системе.

Технология АТМ универсальна (в ячейках АТМ можно размещать биты цифрового сигнала любого происхождения) и пригодна для передачи информации со скоростями до 10 Гбит/с и даже выше. Ячейки АТМ переносятся в битовом потоке, сформированном в некотором другом стандарте, принятом в первичной сети, например PDH или SDH. Очевидно, что второй стандарт подходит несравненно больше. Ячейки АТМ просто размещают одну за другой в виртуальном контейнере четвертого порядка VC-4 до его заполнения, и этот контейнер помещают в STM-1.

Таким образом, новые сетевые технологии демонстрируют явную тенденцию к соединению положительных особенностей двух методов коммутации.