Раздел 3. Принципы функциональной организации компьютерных сетей

Тема № 6: Коммутация

Функциональная организация компьютерной сети складывается из функциональной организации вычислительного процесса (обработки данных) и процесса передачи данных.

Функциональная организация вычислительного процесса определяется режимами функционирования отдельных компьютеров сети и способом реализации обработки данных в компьютерной сети.

Обработка данных в компьютерных сетях может быть реализована двумя способами:

• распределённая обработка, при которой обработка данных распределяется между несколькими узлами (компьютерами) и выполняется параллельно;

• централизованная обработка, при которой данные обрабатываются в одном центральном узле (компьютере), в качестве которого обычно выступает сервер, при этом другие компьютеры рассматриваются как клиенты (удалённые терминалы), формирующие запросы к центральному узлу.

Функциональная организация процесса передачи данных в значительной степени определяется:

• способом организации взаимодействия между абонентами сети -
способом коммутации;

• методами управления трафиком (потоками данных),
реализуемыми на разных уровнях OSI-модели.

Коммутация

Передача данных в компьютерной сети предполагает организацию физического или логического соединения между взаимодействующими пользователями сети (конечными узлами).

Организация взаимодействия между абонентами компьютерной сети называется коммутацией. Коммутация в сети может быть реализована разными способами (рис. 1.26), которые можно разбить на две группы:

• способы коммутации без промежуточного хранения данных;

• способы коммутации с хранением данных в промежуточных узлах.

В качестве способа коммутации без промежуточного хранения данных в компьютерных сетях применяется коммутация каналов, используемая в традиционных телефонных сетях связи.

Для передачи данных в компьютерных сетях был разработан новый способ коммутации - коммутация сообщений, предполагающая использование в качестве узлов связи специализированных средств вычислительной техники, что позволяло реализовать в промежуточных узлах хранение передаваемых данных, обеспечивающее ряд преимуществ по сравнению с коммутацией каналов. Дальнейшее развитие способов

коммутаций было направлено на усовершенствование коммутации сообщений для обеспечения определенного качества передачи данных.

Рассмотрим перечисленные способы коммутации и в процессе сравнительного анализа выявим присущие им достоинства и недостатки.

Коммутация каналов

Коммутация каналов основана на формировании единого физического соединения (канала) между взаимодействующими абонентами для непосредственной передачи данных из конца в конец так же, как это реализуется в традиционных телефонных сетях (рис. 1.27).

Если абонент А₁ хочет передать данные абоненту А₂, то перед началом передачи он предварительно должен установить соединение с абонентом А₂ путем посылки специального служебного сообщения «УС-установить соединение»,которое «прокладывает» путь, формируя в каждом из промежуточных узлов непосредственное физическое (электрическое) соединение между входным и выходным портами узла. После того, как служебное сообщение достигнет абонента А₂, последний формирует и посылает по созданному пути (маршруту) абоненту А₁ новое служебное сообщение «ПС- подтвердить соединение»,подтверждающее установление соединения между абонентами сети. Только после получения такого сообщения абонент А₁ может начать передачу сообщения С абоненту А₂ по установленному маршруту. Созданное физическое соединение обычно существует в течение времени передачи данных, называемого сеансом или сессией (session), по завершению которого это соединение может быть разрушено. Такой канал между двумя абонентами сети называется временным или коммутируемым, в отличие от некоммутируемого (выделенного) канала, который формируется единожды и существует постоянно или, по крайней мере, в течение длительного времени, независимо от того, передаются данные или же канал простаивает.

В простейшем случае узел сети с коммутацией каналов можно рассматривать как переключатель, обеспечивающий в каждый момент времени электрическое соединение между двумя портами (точками входа и выхода) узла. В телефонной сети такими «переключателями» являются автоматические телефонные станции (АТС).

К основным достоинствамкоммутации каналов относятся:

• возможность использования существующих и достаточно хорошо развитых телефонных сетей связи;

• отсутствие необходимости в хранении передаваемых данных в промежуточных узлах сети;

• высокая эффективность при передаче больших объемов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается незначительным.

В то же время коммутация каналов обладает следующими серьёзными недостатками:

• каналы связи на всем пути передачи данных должны иметь одинаковые пропускные способности и обеспечивать одинаковую скорость передачи данных, в противном случае, если пропускная способность некоторого канала связи окажется меньше пропускной способности предыдущего канала, произойдёт потеря передаваемых данных, поскольку в промежуточных узлах отсутствует возможность буферирования (временного хранения) данных;

• большие накладные расходы на установление соединения на начальном этапе, что негативно сказывается при передаче небольших объёмов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается существенным, что приводит к неэффективному использованию ресурсов (пропускной способности) каналов связи, что проявляется в значительном уменьшении реальной скорости передачи данных по отношению к максимально возможной скорости канала, называемой пропускной способностью;

• телефонные каналы связи, ориентированные на передачу голоса, имеют сравнительно низкое качество и обеспечивают передачу компьютерных данных с невысокой скоростью, что не позволяет их использовать в высокоскоростных магистральных сетях.

Альтернативой коммутации каналов, устраняющей присущие ей недостатки, является коммутация сообщений.

Коммутация сообщений

Коммутация сообщений, в отличие от коммутации каналов, предполагает хранение передаваемых сообщений в буферной памяти промежуточных узлов, находящихся на пути передачи, который прокладывается в каждом узле в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации (рис. 1.28). При этом не требуется предварительно устанавливать соединение между взаимодействующими абонентами.

Если абонент Ai желает передать сообщение С абоненту А₂, то он, не устанавливая непосредственное соединение с А₂, посылает сообщение к узлу связи, к которому он подключён. Там сообщение хранится в буфере узла в течение некоторого времени, необходимого для анализа заголовка, определения в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации следующего узла и, возможно, ожидания освобождения канала связи с этим узлом, если канал занят передачей ранее обработанного сообщения. Проходя таким образом через все узлы, находящиеся на пути передачи, сообщение достигает конечного абонента А₂. Отметим ещё раз, что направление передачи сообщения, то есть его маршрут в сети, определяется только после поступления сообщения в тот или иной узел сети, а не устанавливается заранее, как это происходит при коммутации каналов.

Благодаря такой организации передачи данных между взаимодействующими абонентами, коммутация сообщений обладает следующими достоинствами по сравнению с коммутацией каналов:

• не требуется предварительное установление соединения, что существенно снижает накладные расходы, но не делает их нулевыми, поскольку имеются непроизводительные затраты времени в каждом узле на обработку заголовка и реализацию алгоритма маршрутизации; однако в целом эти затраты существенно меньше по сравнению с затратами на установление соединения при коммутации каналов;

• каналы связи на всем пути передачи могут иметь разные пропускные способности, поскольку буферирование сообщений в узлах сети позволяет сгладить различие в пропускных способностях входного и выходного каналов узла.

Недостатками коммутации сообщений являются:

• необходимость хранения передаваемых сообщений в
промежуточных узлах, что требует значительной ёмкости буферной памяти, которая рассчитывается как произведение ёмкости одного буфера на максимально возможное количество сообщений, которые одновременно могут находиться в узле; ёмкость одного буфера должна быть рассчитана на сообщения максимальной длины, которая, например, для видео файлов может составлять несколько гигабайт, что делает ёмкость буферной памяти узла неоправданно большой; при этом коэффициент использования (загрузки) буферной памяти оказывается незначительным, поскольку большинство сообщений, занимая один буфер, будут иметь длину много меньше, чем ёмкость буфера;

• задержка в промежуточных узлах может оказаться значительной, особенно из-за большого времени ожидания освобождения выходного канала связи при большой загрузке сети, что приводит к увеличению времени доставки сообщений;

• монополизация среды передачи (канала связи) на длительный промежуток времени при передаче длинных сообщений приводит к неоправданно большим задержкам коротких сообщений в связи с ожиданием освобождения канала, длительность которого может многократно превышать время непосредственной передачи этих сообщений.

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений лишь тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины L_n= const (кроме последнего блока: L_K<L_n), называемых пакетами (рис. 1.29), каждый из которых имеет структуру аналогичную структуре сообщений: заголовок, текст и, возможно, концевик. При этом, заголовки всех пакетов одного и того же сообщения содержат одни и те же адреса назначения и источника. Каждый пакет сообщения передаётся в сети как независимый блок данных в соответствии с адресом назначения, указанным в заголовке.

Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщении позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

• меньшее время доставки сообщения в сети;

• более эффективное использование буферной памяти в узлах;

• более эффективная организация надёжной передачи данных;

• среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

• задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений.
Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно.
Уменьшение времени доставки сообщенийпри коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи. Покажем это на следующем примере.

Положим, что сообщение длиной L передаётся от абонента А₁ к абоненту А₂ в сети с коммутацией сообщений так, как это показано на рис.1.28. В процессе передачи сообщение проходит через К каналов связи с одинаковыми пропускными способностями промежуточных узла. Время передачи сообщения длиной L в одном канале с пропускной способностью С_кс будет равно: .

Пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А₁ к абоненту А₂: Положим теперь, что в рассматриваемой сети реализован принцип коммутации пакетов, и передаваемое от абонента А₁ к абоненту А₂ сообщение длиной L разбивается на п пакетов, длина каждого из которых равна Тогда время передачи пакета в канале с пропускной способностью С_кс будет равно: Как и ранее, пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А₁ к абоненту А₂. Очевидно, что первый пакет будет доставлен к абоненту А₂ за время На момент доставки к абоненту А₂ первого пакета П₁ остальные пакеты П₂, П₃, П₄ сообщения, двигаясь по тому же маршруту, окажутся в промежуточных узлах, как это показано на рис. 1.30, а пакеты П₅, ..., П_n будут находиться в исходном узле у абонента А_1.

Дальнейшее перемещение пакетов приведёт к тому, что пакет П₂

окажется у абонента А₂ через время . Аналогично,

пакет П₃ окажется у абонента А₂ через время и т.д..

Последним к абоненту А₂ придёт пакет П_n через время

Таким образом, все п пакетов, а, следовательно, всё сообщение будут доставлены к абоненту А₂ за время

Сравнивая времена доставки сообщения при использовании коммутации пакетов и коммутации сообщении ,

можно убедиться, что при , т.е. время доставки сообщения

при коммутации сообщений больше времени доставки сообщения при использовании коммутации каналов в раз.

Для значений К = 4 и п = 5 (четыре канала связи, как на рис. 1.30, и пять пакетов) получим, что время доставки сообщения при коммутации пакетов уменьшится в k = 2,5 раза по сравнению с коммутацией сообщений, а при разбиении исходного сообщения на 17 пакетов - в k = 3,4 раз. Легко убедиться, что при выигрыш k во времени доставки стремится к К: k ->К, то есть максимально возможный выигрыш при коммутации пакетов определяется количеством каналов связи, через которые проходят пакеты. Этот вывод очевиден, если учесть, что выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 1.31): когда пакет П₁ находится в канале КС₄, пакет П₂ передаётся по каналу КС₃, пакет П₃ - по каналу КС₂ и пакет П₄ - по каналу КС₁ что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Еще больший выигрыш может быть получен, если передача пакетов одного того же сообщения осуществляется параллельно по разным маршрутам.

Представленные выше расчёты выигрыша во времени доставки сообщений при использовании коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений естественно являются упрощёнными, поскольку не учитывают задержки пакетов в узлах сети, а также дополнительные накладные расходы на передачу обрамления (заголовков и концевиков) пакетов. Несмотря на это, они достаточно убедительно показывают наличие такого выигрыша.

Более эффективное использование буферной памятипри коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений обусловлено тем, что размер буфера строго фиксирован и определяется максимально допустимой (фиксированной) длиной передаваемых пакетов, которая может составлять от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. За счёт этого достигается более высокая загрузка одного буфера, которая при передаче длинных сообщений близка к единице и, как следствие, более высокая загрузка всей буферной памяти узла.

Более эффективная организация надежной передачи данных,по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируетсяодним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.

Задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений,которая складывается из следующих составляющих:

• приём (запись) поступающего блока данных (пакета или сообщения) во входной буфер узла;

• подсчёт и проверка контрольной суммы блока данных;

• передача блока данных из входного буфера в выходной буфер;

• ожидание освобождения выходного канала, занятого передачей ранее поступивших блоков данных;

• передача данных в выходной канал связи и освобождение выходного буфера узла.

Очевидно, что все эти задержки пропорциональны длине блока данных.

Несмотря на очевидные достоинства, коммутации пакетов присущи недостатки, которые состоят в следующем:

• большие накладные расходы на передачу и анализ заголовков всех пакетов сообщения, что снижает эффективную (реальную) пропускную способность канала связи, используемую непосредственно для передачи данных, и, следовательно, увеличивает время доставки сообщения в сети, в том числе и за счёт дополнительных затрат времени на обработку заголовков пакетов в узлах сети;

• необходимость сборки из пакетов сообщения в узле назначения может существенно увеличить время доставки сообщения конечному абоненту за счёт ожидания прихода всех пакетов сообщения, поскольку в случае потери хотя бы одного пакета, сообщение не сможет быть собрано в конечном узле сети; при этом возникает серьёзная проблема, связанная с определением предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле; при большом значении этого времени в конечном узле может скопиться большое число пакетов разных сообщений, что приведёт к переполнению буферной памяти узла и, как следствие, к потере передаваемых пакетов или к отказу в приёме новых пакетов, что, в свою очередь, не позволит собрать сообщения; маленькое значение предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле может создавать такую ситуацию, при которой большое количество сообщений не смогут дождаться прихода последнего пакета и, поскольку по истечении этого времени все пакеты таких сообщений будут удалены из буферной памяти, потребуется повторная передача всех пакетов этих сообщений, что приведёт к значительной загрузке оборудования (узлов и каналов) сети и, в пределе, может вызвать перегрузку сети.

Коммутация ячеек

Коммутация ячеек - способ коммутации, который можно рассматривать как частный случай коммутации пакетов со строго фиксированной длиной передаваемых блоков данных в 53 байта, называемых ячейками (рис. 1.32).

Первые компьютерные сети строились для передачи цифровых (компьютерных) данных с единствен­ным требованием - обеспечить надёж­ную (без ошибок) доставку данных, при этом время доставки не являлось критичным. Развитие компьютерных

технологий и появление необходимости передачи мультимедийных данных, таких как речь и видео, выдвинуло, наряду с надёжной доставкой, новое требование к передаче данных в компьютерных сетях: минимизация времени доставки сообщений. Для реализации этой концепции в начале девяностых годов прошлого столетия была разработана сетевая технология, получившая название Asynchronous Transfer Mode (ATM) -режим асинхронной передачи,назначение которой - передача мультимедийных данных в компьютерной сети с минимальной задержкой.

Как было показано выше при рассмотрении коммутации пакетов, чем короче пакеты, тем меньше время доставки всего сообщения. Исходя из этого, в ATM-сетях в качестве единицы передачи данных был выбран блок размером в 53 байта (5 байт - заголовок и 48 байт - данные), названный ячейкой (рис. 1.32). Столь странный размер ячейки появился в результате компромисса двух противодействующих групп, из которых одна группа (по одной из версий: традиционные связисты - телефонисты) настаивала на меньшем значении поля данных в 32 байта, а другая (компьютерщики) - на значении в 64 байта. Действительно, меньшее значение размера ячейки обеспечило бы меньшие задержки при доставке данных, однако не следует забывать, что при этом возрастают накладные расходы на передачу заголовков ячеек, что снижает полезную (эффективную) пропускную способность среды передачи. В АТМ-сетях это снижение составляет около 10% . Если же размер поля данных будет 32 байта, то при том же заголовке в 5 байт снижение полезной пропускной способности составит 13,5%. Принимая во внимание, что в мультимедийных сетях обычно используются высокоскоростные каналы, потери пропускной способности могут оказаться значительными, что отрицательно скажется на экономической эффективности компьютерной сети.

Подводя итог сказанному, можно отметить следующие достоинства коммутации ячеек:

• маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);

• быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

• более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация буферной памяти и надежной передачи данных.

Основным недостатком коммутации ячеек является:

• наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу
заголовка (почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной
способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

Коммутация пакетов и коммутация каналов - основные способы передачи данных в компьютерных сетях, поскольку коммутация пакетов обеспечивает более эффективную передачу данных через СПД по сравнению с коммутацией сообщений (в первую очередь, значительно меньшие задержки), а коммутация каналов может быть достаточно легко реализована на основе существующей телефонной сети.