2 Коммутация (Лекции по Сетевым технологиям), страница 4

Рис. 9. Очереди в пакетном коммутаторе

Очереди пакетов

Магистральный канал

Рис. 10. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов

Поскольку объем буферов в коммутаторах ограничен, иногда происходит потеря пакетов из-за переполнения буферов при временной перегрузке части сети, когда совпадают периоды пульсации нескольких информационных потоков. Так как потеря пакетов является неотъемлемым свойством сети с коммутацией пакетов, то для нормальной работы таких сетей разработан ряд механизмов, которые компенсируют этот эффект.

Методы продвижения пакетов

Решение о том, на какой интерфейс передать пришедший пакет, принимается на основании одного из трех методов продвижения пакетов:

• При дейтаграммной передаче соединение не устанавливается, и все переда­ваемые пакеты продвигаются (передаются от одного узла сети другому) неза­висимо друг от друга на основании одних и тех же правил. Процедура обра­ботки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети (например, в зависимости от ее нагрузки пакет может стоять в очереди на обслуживание большее или меньшее время). Однако никакая информация об уже переданных пакетах сетью не хранится и в ходе обработки очередного пакета во внимание не принимается. То есть ка­ждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи — дейтаграмма.

• Передача с установлением логического соединения распадается на так называе­мые сеансы, или логические соединения. Процедура обработки определяет­ся не для отдельного пакета, а для всего множества пакетов, передаваемых в рамках каждого соединения. Для того чтобы реализовать дифференцирован­ное обслуживание пакетов, принадлежащих разным соединениям, сеть должна, во-первых, присвоить каждому соединению идентификатор, во-вторых, запом­нить параметры соединения, то есть значения, определяющие процедуру об­работки пакетов в рамках данного соединения. Эта информация называется информацией о состоянии соединения. Фиксированный маршрут не является обязательным параметром соединения. Пакеты, принадлежащие одному и тому же соединению, даже имеющие одни и те же адреса отправления и назначе­ния, могут перемещаться по разным независимым друг от друга маршрутам.

• Передача с установлением виртуального канала. Если в число параметров соединения входит маршрут, то все пакеты, передаваемые в рамках данного со­единения, должны проходить по указанному пути. Такой единственный зара­нее проложенный фиксированный маршрут, соединяющий конечные узлы в сети с коммутацией пакетов, называют виртуальным каналом (virtual circuit, или virtual channel).

Классификация методов коммутации приведена на рис. 11.

В одной и той же сетевой технологии могут быть задействованы разные способы обмена данными. Так, дейтаграммный протокол IP используется для передачи данных между отдельными сетями, составляющими Интернет. В то же время обес­печением надежной доставки данных между конечными узлами этой сети зани­мается протокол TCP, устанавливающий логические соединения без фиксации маршрута. И наконец, Интернет является примером сети, использующей техни­ку виртуальных каналов, так как в состав Интернета входит немало сетей ATM и Frame Relay, поддерживающих виртуальные каналы.

Коммутируемые сети

Сети с коммутацией каналов

Сети с коммутацией пакетов

Дейтаграммные сети без установления соединений

Сети с установлением логических соединений

Сети с установлением логических соединений без фиксации маршрута

Сети с установлением виртуальных каналов

Рис. 11. Таксономия коммутируемых сетей

Дейтаграммная передача

Итак, как было сказано, дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга. Выбор интерфейса, на который надо передать поступивший пакет, происходит только на основании адреса назначения, содержащегося в заголовке пакета. Принадлеж­ность пакета к определенному информационному потоку никак не учитывается.

Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно оп­ределяющую следующий по маршруту (транзитный или конечный) узел. Напом­ним, что в разных технологиях для обозначения таблиц, имеющих указанное выше функциональное назначение, могут использоваться другие термины (таблица маршрутизации, таблица продвижения и др.). Далее для простоты будем пользо­ваться термином «таблица коммутации» в качестве обобщенного названия таб­лиц такого рода, применяемых для дейтаграммной передачи на основании толь­ко адреса назначения конечного узла.

Таблица коммутации дейтаграммной сети должна содержать записи обо всех ад­ресах, куда могут быть направлены пакеты, поступающие на интерфейсы комму­татора. А они в общем случае могут быть адресованы любому узлу сети. На прак­тике используются приемы, уменьшающие число записей в таблице, например, иерархическая адресация. В этом случае таблица коммутации может содержать только старшие части адресов, которые соответствуют не отдельным узлам, а не­которой группе узлов (для их обозначения часто применяют термин «подсеть»). Если обратиться к аналогии с почтовыми адресами, то такими старшими частя­ми адреса являются названия стран и городов, число которых, естественно, несо­измеримо меньше, чем названий улиц, домов и имен отдельных людей.

Несмотря на применение иерархической адресации в некоторых крупных сетях (например, в Интернете), коммутаторы могут иметь таблицы с числом входов, превышающем несколько тысяч. На рис. 12 показано, как могла бы выглядеть таблица коммутации в дейтаграммной сети.

Таблица коммутации коммутатора S1

N1

Рис. 12. Иллюстрация дейтаграммного принципа передачи пакетов

В таблице коммутации для одного и того же адреса назначения может содер­жаться несколько записей, указывающих соответственно на различные адреса следующего коммутатора. Такой подход называется балансом нагрузки и ис­пользуется для повышения производительности и надежности сети. В примере, показанном на рис. 12, пакеты, поступающие в коммутатор S1 для узла назна­чения с адресом N2 в целях баланса нагрузки распределяются между двумя сле­дующими коммутаторами — S2 и S3, что снижает нагрузку на каждый из них, а значит, уменьшает очереди и ускоряет доставку. Некоторая «размытость» пу­тей следования пакетов с одним и тем же адресом назначения через сеть являет­ся прямым следствием принципа независимой обработки каждого пакета, прису­щего дейтаграммному методу. Пакеты, следующие по одному и тому же адресу назначения, могут добираться до него разными путями также вследствие изме­нения состояния сети, например отказа промежуточных коммутаторов.

Дейтаграммный метод работает быстро, так как никаких предварительных дей­ствий перед отправкой данных проводить не требуется. Однако при таком мето­де трудно проверить факт доставки пакета узлу назначения. Этот метод не га­рантирует доставку пакета, он делает это по мере возможности — для описания такого свойства используется термин доставка с максимальными усилиями (best effort).

Логическое соединение

Передача с установлением логического соединения основывается на знании «предыс­тории» обмена. Это позволяет более рационально по сравнению с дейтаграммным способом обрабатывать пакеты. Например, при потере нескольких предыдущих пакетов может быть снижена скорость отправки последующих. Или благодаря нумерации пакетов и отслеживанию номеров отправленных и принятых пакетов можно повысить надежность путем отбрасывания дубликатов, упорядочивания поступивших и повторения передачи потерянных пакетов.

Параметры соединения могут быть как постоянными в течение всего соединения (например, максимальный размер пакета), так и переменными, динамически отражающими текущее состояние соединения (например, упомянутые выше по­следовательные номера пакетов). Когда отправитель и получатель фиксируют начало нового соединения, они, прежде всего, «договариваются» о начальных значениях параметров процедуры обмена и только после этого начинают переда­чу собственно данных.

У зел 1 Узел 2

Д анные

а Данные

б

Запрос на установление

соединения

Прием запроса

на установление

соединения

Подтверждение

установление

соединения

Данные Квитанция

подтверждения

З апрос на разрыв

соединения

Подтверждение

Разрыва

соединения

Рис. 13. Передача без установления соединения (а) и с установлением соединения (б)

Передача с установлением соединения более надежна, но требует больше време­ни для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов, что иллю­стрирует рис. 13.

При передаче с установлением соединения узлу-получателю отправляется слу­жебный кадр специального формата с предложением установить соединение, как показано на рис. 13, б. Если узел-получатель согласен с этим, то он посылает в ответ другой служебный кадр, подтверждающий установление соединения и предлагающий некоторые параметры, которые будут использоваться в рам­ках данного логического соединения. Это могут быть, например, идентификатор соединения, максимальное значение длины поля данных кадров, количество кад­ров, которые можно отправить без получения подтверждения, и т. п. Узел-ини­циатор соединения может закончить процесс установления соединения отправкой третьего служебного кадра, в котором сообщит, что предложенные параметры ему подходят. На этом логическое соединение считается установленным. Логическое соединение может быть рассчитано на передачу данных как в одном направле­нии — от инициатора соединения, так и в обоих направлениях. После передачи некоторого законченного набора данных, например определенного файла, узел-отправитель инициирует разрыв данного логического соединения, посылая соот­ветствующий служебный кадр.

Заметим, что, в отличие от передачи дейтаграммного типа, в которой поддержи­вается только один тип кадра — информационный, передача с установлением со­единения должна поддерживать как минимум два типа кадров — информационные, переносящие собственно пользовательские данные, и служебные, предназначен­ные для установления (разрыва) соединения.

Виртуальный канал

Виртуальные каналы (virtual circuit, или virtual channel) — это устойчивые пути следования трафика, создаваемые в сети с коммутацией пакетов. Виртуальные каналы являются базовой концепцией технологий Х.25, Frame Relay и ATM.

Техника виртуальных каналов учитывает существование в сети потоков данных. Для того чтобы выделить поток данных из общего трафика, каждый пакет этого потока помечается меткой. Так же как в сетях с установлением логических со­единений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла-источ­ника запроса, называемого также пакетом установления соединения. В запросе указывается адрес назначения и метка потока, для которого прокладывается этот виртуальный канал. Запрос, проходя по сети, формирует новую запись в каждом из коммутаторов, расположенных на пути от отправителя до получателя. Запись говорит о том, каким образом коммутатор должен обслуживать пакет, имеющий заданную метку. Образованный виртуальный канал идентифицируется той же меткой¹.

Эта метка в различных технологиях называется по-разному: номером логического канала (Logical Channel number, LCN) в технологии Х.25, идентификатором соединения уровня канала данных (Data Link Connection Identifier, DLCI) в технологии Frame Relay, иден­тификатором виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI) в технологии ATM.

После прокладки виртуального канала сеть может передавать по нему соответст­вующий поток данных. Во всех пакетах, которые переносят пользовательские дан­ные, адрес назначения уже не указывается, его роль играет метка виртуального канала. При поступлении пакета на входной интерфейс коммутатор читает зна­чение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, по которой определяет, на какой выходной порт передать пришед­ший пакет.

Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы, отличается от таблицы коммутации в дейтаграммных сетях. Она содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения, как это имеет место в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения. Обычно в крупной сети количество проложенных через узел вир­туальных каналов существенно меньше общего количества узлов, поэтому и таб­лицы коммутации в этом случае намного короче, а, следовательно, анализ такой таблицы занимает у коммутатора меньше времени. По этой же причине метка короче адреса конечного узла, и заголовок пакета в сетях с виртуальными кана­лами переносит по сети вместо длинного адреса компактный идентификатор по­тока.