2 Коммутация (Лекции по Сетевым технологиям), страница 3

Нагрузка сети будет влиять только на вероятность отказа в установлении соединения — чем больше соединений в данный момент поддерживает сеть, тем больше вероятность того, что запрос на установление нового соединения столкнется с отказом.

Приятным обстоятельством является то, что сеть будет доставлять данные с низ­ким и постоянным уровнем задержки, что позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео.

Мультиплексирование

Описанная сеть с коммутацией каналов, в которой каждая физическая линия все­гда передает данные с одной и той же скоростью, работает неэффективно.

Во-первых, пользователи в такой сети в общем случае получают не то, что они хотят. Действительно, их заставляют стать неким универсальным стандартным пользователем, который всегда передает в сеть информацию с постоянной един­ственно разрешенной скоростью. Сегодня трудно представить такого пользова­теля, учитывая оснащенность его различными терминальными устройствами — мобильными телефонами, компьютерами и офисными АТС (корпоративный пользователь). Поэтому скорость пользовательского трафика в общем случае не совпадает с фиксированной пропускной способностью физических каналов. Последняя может быть как намного выше, так и намного ниже потребности пользо­вателя. В первом случае пользователь недоиспользует канал, а во втором должен либо ограничить свои потребности, либо задействовать несколько физических линий связи.

Во-вторых, и сама сеть в таком случае неэффективно использует собственные ресурсы. Очевидно, что в сети, изображенной на рис. 7, линий связи между коммутаторами недостаточно. Такая структура сети была выбрана только для того, чтобы более наглядно пояснить причину отказов в удовлетворении запро­сов пользователей. Для того чтобы вероятность отказа была достаточно низкой и приемлемой для пользователя, между коммутаторами нужно проложить боль­шое количество параллельных физических линий, а это очень затратный ва­риант.

Чтобы повысить эффективность в сетях с коммутацией каналов, стали использо­вать мультиплексирование; это позволило одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений. Мультиплекси­рование в сетях с коммутацией каналов имеет свои особенности. Так, пропуск­ная способность каждой линии связи делится на равные части, образуя одинако­вое число так называемых подканалов (для простоты их часто называют просто каналами). Обычно линия, подключающая пользователя к сети, поддерживает меньшее число подканалов, чем линии, соединяющие коммутаторы, — в этом случае вероятность отказа уменьшается. Например, пользовательская линия мо­жет состоять из 2, 24 или 30 подканалов, а линия между коммутаторами — из 480, 1920. Наиболее распространенной скоростью цифрового подканала являет­ся сегодня скорость 64 Кбит/с, которая обеспечивает качественную цифровую передачу голоса.

После того как сеть с коммутацией каналов была дополнена механизмом муль­типлексирования, схема ее работы претерпела некоторые изменения. Запрос на установление логического соединения, переданный абонентом перед началом пе­редачи, резервирует не целиком линии связи, а только их подканалы. Таким об­разом, соединение устанавливается не на уровне линий связи, а на уровне подка­налов. Несколько подканалов используется в том случае, если пропускной способности одного канала оказывается недостаточно. Это дает возможность пользователю резервировать подканал (или подканалы), скорость передачи дан­ных которого является максимально близкой к реально необходимой. Кроме того, мультиплексирование позволяет более экономно строить связи между ком­мутаторами. Действительно, для снижения вероятности отказов вместо нескольких линий связи теперь достаточно использовать одну физическую линию с боль­шим количеством логических подканалов.

ВНИМАНИЕ

В случае мультиплексирования в сети с коммутацией каналов установленный при соеди­нении составной канал по-прежнему состоит из линий связи с одинаковой пропускной способностью, только роль линий связи играют подканалы.

Очевидно, что при мультиплексировании усложняется процедура обработки трафика коммутаторами — вместо простой и понятной процедуры коммутации соответствующих интерфейсов теперь необходимо передать данные в нужный подканал. При временном мультиплексировании это требует высокой степени синхронизации двух информационных потоков, а при частотном — преобразова­ния частот.

На рис. 8 показана сеть с коммутацией каналов и мультиплексированием. В сети установлены два соединения А-В и C-D, одно из них использует по одно­му подканалу в каждой линии связи, а второе — по два. Таким образом, несмотря на то что данная сеть имеет ту же физическую структуру, что и сеть, представ­ленная на рис. 7, блокирования второго вызова (C-D) здесь не происходит, так как коммутаторы поддерживают мультиплексирование.

Неэффективность передачи пульсирующего трафика

Имеется еще одна причина неэффективной работы сети с коммутацией каналов, а именно: фиксированная пропускная способность составного канала выделяется на все время соединения.

Мы отметили, что мультиплексирование повышает эффективность работы сети, потому что пользователь может точнее подобрать скорость соединения в соот­ветствии со своими реальными потребностями. Но это относится только к поль­зователям, скорость информационных потоков которых постоянна. А что делать пользователям, информационные потоки которых имеют пульсирующий характер?

Если присмотреться к пользовательскому трафику, то окажется, что практиче­ски все пользователи телекоммуникационных сетей относятся к этой категории. Так, кажущееся постоянство скорости информационных потоков пользователей телефонной сети достигается за счет обработки неравномерных пользовательских информационных потоков терминальными устройствами телефонной сети — те­лефонами. Например, цифровой телефон действительно постоянно передает в сеть информационный поток со скоростью 64 Кбит/с независимо от того, говорит в это время его пользователь или нет. Наверно, более эффективно телефон работал бы, если бы он «вырезал» паузы из разговора и передавал в сеть только по­лезную информацию.

Рис. 8. Коммутация каналов с мультиплексированием

Существует и другая категория пользователей, потребности которой в передаче информации с различной скоростью еще более очевидны, — это пользователи компьютеров. Действительно, работа пользователя, который сканирует веб-ресурсы Интернета, очевидным образом порождает неравномерный трафик. При загрузке очередной страницы в компьютер скорость резко возрастает, а после окончания загрузки падает практически до нуля.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети определяется как отношение пиковой скорости на каком-либо небольшом интервале времени к средней скорости обмена данными на длительном интервале времени и может достигать значений 100:1. Если для описанного сеанса организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время часть производительности сети останет­ся закрепленной за данной парой абонентов и недоступной другим пользовате­лям сети. Сеть в такие периоды похожа на пустой эскалатор метро, который дви­жется, но полезную работу не выполняет, другими словами, «перевозит воздух».

Наиболее эффективно пользовательский трафик передается сетью с коммутацией каналов в том случае, когда скорость его постоянна в течение всего сеанса связи и соответствует пропускной способности физических линий связи сети.

Достоинства и недостатки любой сетевой технологии — относительны. В опреде­ленных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становят­ся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать трафик телефонных разговоров, а с невозмож­ностью «вырезать» паузы из разговора и нерациональным использованием маги­стральных физических каналов между коммутаторами можно мириться. Однако при передаче очень неравномерного компьютерного трафика на первый план вы­ходит именно эта нерациональность.

Коммутация пакетов

Техника коммутации пакетов была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети данные разбиваются в исходном узле на сравнительно не­большие части, называемые пакетами, кадрами, или ячейками, — в данном кон­тексте различия в значении этих терминов не существенны. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес, необходимый для доставки пакета узлу назначения. Наличие адреса в каждом пакете является од­ним из важнейших свойств техники коммутации пакетов, так как каждый пакет может} быть обработан коммутатором независимо от других пакетов информа­ционного потока. Помимо заголовка у пакета имеется еще одно дополнительное

поле, которое обычно размещается в конце пакета и поэтому называется концевиком. В концевике помещается контрольная сумма, которая позволяет прове­рить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и не с фиксированной наперед заданной скоростью, как это делается в сетях с комму­тацией каналов, а в том темпе, в котором их генерирует источник. Предполагает­ся, что сеть с коммутацией пакетов в отличие от сети с коммутацией каналов всегда готова принять пакет от конечного узла.

ПРИМЕЧАНИЕ —

Процедура резервирования пропускной способности может применяться и в пакетных сетях. Однако основная идея такого резервирования принципиально отличается от идеи резервирования пропускной способности в сетях с коммутацией каналов. Разница заключается в том, что пропускная способность канала сети с коммутацией пакетов может динамически перераспределяться между информационными потоками в зависимости от текущих потребностей каждого потока, чего не может обеспечить техника коммутации каналов. С деталями такого резервирования вы познакомитесь позже.

Буферы и очереди

Сеть с коммутацией пакетов, так же как и сеть с коммутацией каналов, состоит из коммутаторов, связанных физическими линиями связи. Однако коммутаторы функционируют в этих сетях по-разному. Главное отличие состоит в том, что па-

кетные коммутаторы имеют внутреннюю буферную память для временного хра­нения пакетов. Действительно, пакетный коммутатор не может принять реше­ния о продвижении пакета, не имея в своей памяти всего пакета. Коммутатор проверяет контрольную сумму, и только если она говорит о том, что данные па­кета не искажены, начинает обрабатывать пакет и по адресу назначения опре­деляет следующий коммутатор. Поэтому каждый пакет последовательно бит за битом помещается во входной буфер. Имея в виду это свойство, говорят, что сети с коммутацией пакетов используют технику сохранения с продвижением (store-and-forward). Заметим, что для этой цели достаточно иметь буфер разме­ром в один пакет.

Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скоро­сти поступления пакетов со скоростью их коммутации. Если коммутирующий блок не успевает обрабатывать пакеты, то на интерфейсах коммутатора возникают входные очереди. Очевидно, что для хранения входной очереди объем буфера должен превышать размер одного пакета. Существуют различные подходы к по­строению коммутирующего блока. Традиционный способ основан на одном цен­тральном процессоре, который обслуживает все входные очереди коммутатора. Такой способ построения может приводить к большим очередям, так как произ­водительность процессора разделяется между несколькими очередями. Совре­менные способы построения коммутирующего блока основаны на многопроцес­сорном подходе, когда каждый интерфейс имеет свой встроенный процессор для обработки пакетов. Кроме того, существует также центральный процессор, коор­динирующий работу интерфейсных процессоров. Использование интерфейсных процессоров повышает производительность коммутатора и уменьшает очереди во входных интерфейсах. Однако такие очереди все равно могут возникать, так как центральный процессор по-прежнему остается «узким местом».

Наконец, буферы нужны для согласования скоростей передачи данных в каналах, подключенных к пакетному коммутатору. Действительно, если скорость поступ­ления пакетов из одного канала в течение некоторого периода превышает пропу­скную способность того канала, в который эти пакеты должны быть направлены, то во избежание потерь пакетов на целевом интерфейсе необходимо организо­вать выходную очередь (рис. 9).

В сети с коммутацией пакетов пульсации трафика отдельных абонентов в соот­ветствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики чаще всего не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равно­мерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действи­тельно велико. На рис. 10 показано, что трафик, поступающий от каждого из ко­нечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномер­но, и магистральные каналы, соединяющие коммутаторы верхнего уровня, име­ют близкие к максимальным коэффициенты использования. Буферизация сгла­живает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа.