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 приобретает эта задача, когда топология сети неполносвязная. В таком случае обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последо­вательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.

Рис. 1. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов

Например, в сети, показанной на рис.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 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, 1 и 5 — транзитные узлы, 4 — узел-получатель.

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 маршруты.

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, например, через узел 5 (см. рис. 1) 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.

Информационным потоком, или потоком данных, называют непрерывную последовательность данных, объединенных набором общих признаков, выделяющих их из общего сетевого трафика.

Например, как поток можно определить все данные, поступающие от одного ком­пьютера? объединяющим признаком в данном случае служит адрес источника. Эти же данные можно представить как совокупность нескольких подпотоков, каж­дый из которых в качестве 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 файлов, веб-сервером. Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде различных информацион­ных единиц данных — пакетов, кадров или ячеек.

этого процесса только тогда, когда это нужно подчеркнуть.

Очевидно, что при коммутации в качестве обязательного признака выступает адрес назначения данных. На основании этого признака весь поток входящих в тран­зитный узел данных разделяется на подпотоки, каждый из которых передается на интерфейс, соответствующий маршруту продвижения данных.

Адрес источника и адрес назначения определяют поток для пары соответствую­щих конечных узлов. Однако часто бывает полезно представить этот поток в виде нескольких подпотоков, причем для каждого из них может быть проложен свой особый маршрут. Рассмотрим пример, когда на одной и той же паре конечных узлов выполняется несколько взаимодействующих по сети 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, требующие обязательной и немедленной отработки, при выборе мар­шрута более важна надежность 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.1, узел 1 может быть настроен передавать все данные, посту­пившие с интерфейса А, на интерфейс В, а данные, поступившие с интерфейса D, на интерфейс С. 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, 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 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.

Таким образом, распознавание потоков во время коммутации происходит на основании при­знаков, в качеств которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут высту­пать и другие признаки, такие, например, как идентификаторы приложений.

Маршрутизация

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

• определение маршрута;

• оповещение сети о выбранном маршруте.

Определить маршрут — это значит 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 оптимальном¹ по некоторому критерию маршруте. В качестве критериев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загружен­ность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов.

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 основании различных, часто не формализуемых соображений. Среди побуди­тельных мотивов выбора 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 со сложной 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 сообщениями, 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. Для передачи трафика между конеч­ными узлами А и С существуют 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 транзитных узлов.

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

Рис. 2. Выбор маршрута

Решение было найдено путем минимизации критерия, в качестве которого в дан­ном примере 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 скоростью, 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 метрики — количество транзитных узлов, как в предыдущем примере, ли­нейная протяженность маршрута и даже его стоимость в денежном выражении. Для построения метрики, учитывающей 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 пропускные способно­сти каналов в сети. Например, если мы в качестве такой константы выберем 100 Мбит/с, то метрика каждого из каналов 1-2 и 2-3 равна 1, а метрика канала 1-3 равна 10. Метрика маршрута равна сумме метрик составляющих его каналов, поэтому часть пути 1-2-3 обладает метрикой 2, а альтернативная часть пути 1-3 — метрикой 10! Мы выбираем более «короткий» путь, то есть путь А-1-2-3-С.

Описанные подходы к выбору маршрутов не учитывают текущую степень загру­женности каналов трафиком¹. Используя аналогию с автомобильным трафиком, можно сказать, что мы выбирали маршрут по карте, учитывая количество промежу­точных городов и ширину дороги (аналог пропускной способное™ канала), отдавая предпочтение скоростным магистралям. Но мы не стали слушать радио или телеви­зионную программу, которая сообщает о текущих заторах на дорогах. Так что наше решение могло оказаться отнюдь не лучшим, если по маршруту А-1-2-3-С уже пере­дается большое количество потоков, а маршрут А-1-3-С практически свободен.

После того как маршрут определен (вручную или автоматически), надо оповес­тить о нем все устройства сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: «каждый раз, когда в устройство поступят данные, относящиеся к потоку n, их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс F». Каждое подобное сообщение о мар­шруте обрабатывается устройством, в результате создается 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.

Таблица 1 является фрагментом таблицы коммутации, содержащий запись, сделанную на основании сообщения о необходимости передачи потока n на ин­терфейс F.

Таблица 1. Фрагмент таблицы коммутации

Конечно, детальное описание структуры сообщения о маршруте и содержимого таблицы коммутации зависит от конкретной технологии, однако эти особен­ности не меняют сущности рассматриваемых процессов.

Передача информации транзитным устройствам о выбранных маршрутах, так же как и определение маршрута, может осуществляться и вручную, и автоматиче­ски. Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив в ручном ре­жиме конфигурирование устройства, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов (как работали «телефонные барышни» на первых коммутаторах). Он может также по собственной инициативе внести запись о маршруте в таблицу коммутации.

Однако поскольку топология и состав информационных потоков может менять­ся (отказы узлов или появление новых промежуточных узлов, изменение адре­сов или определение новых потоков), гибкое решение задач определения и зада­ния маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации. В таких случаях задачи прокладки маршрутов, как правило, не могут быть решены без достаточно сложных программных и ап­паратных средств.

Продвижение данных

Итак, пусть маршруты определены, записи о них сделаны в таблицах всех тран­зитных узлов, все готово к выполнению основной операции — передаче данных между абонентами (коммутации абонентов).