Тема № 7: Способы передачи пакетов

Пакеты в сети могут передаваться двумя способами (рис. 1.33):

• дейтаграммным;

• путем формирования «виптуалъного канала».

Дейтаграммная передача

При дейтаграммном способепакеты одного и того же сообщения могут передаваться между двумя взаимодействующими пользователями А и В по разным маршрутам, как это показано на рис. 1.34, где пакет П1 передаётся по маршруту У1-У₂-Уб-У7, пакет П2 - по маршруту У₁У₄-У7 и пакет ПЗ - по маршруту У1-У3-У5-У7. В результате такого способа передачи все пакеты приходят в конечный узел сети в разное время и в произвольной последовательности. Пакеты одного и того же сообщения, рассматриваемые в каждом узле сети как самостоятельные независимые единицы данных и передаваемые разными маршрутами, называются дейтаграммами (datagram). В узлах сети для каждой дейтаграммы всякий

раз определяется наилучший
путь передачи в соответствии
с выбранной метрикой
маршрутизации, не зависимо
от того, по какому пути
переданы были предыдущие
дейтаграммы с такими же
адресами назначения

(получателя) и источника (отправителя).

Дейтаграммный способ передачи пакетов может быть реализован:

• без установления соединения между абонентами сети;

• с установлением соединения между взаимодействующими абонентами сети.

В последнем случае между взаимодействующими абонентами предварительно устанавливается соединение путём обмена служебными пакетами: «запрос на соединение» и «подтверждение соединения», означающее готовность принять передаваемые данные. В процессе установления соединения могут «оговариваться» значения параметров передачи данных, которые должны выполняться в течение сеанса связи.

После установления соединения отправитель начинает передачу, причём пакеты одного и того же сообщения могут передаваться разными маршрутами, то есть дейтаграммным способом. По завершении сеанса передачи данных выполняется процедура разрыва соединения путём обмена служебными пакетами: «запрос на разрыв соединения» и «подтверждение разрыва соединения». Описанная процедура передачи пакетов с установлением соединения иллюстрируется на диаграмме (рис.1.35).

Достоинствами дейтаграммного способа передачи пакетов в компьютерных сетях являются:

• простота организации и реализации передачи данных - каждый пакет (дейтаграмма) сообщения передаётся независимо от других пакетов;

• в узлах сети для каждого пакета выбирается наилучший путь (маршрут);

• передача данных может выполняться как без установления соединения между взаимодействующими абонентами, так и при необходимости с установлением соединения.

К недостаткам дейтаграммного способа передачи пакетов следует отнести:

• необходимость сборки сообщения в конечном узле: сообщение не может быть передано получателю, пока в конечном узле сети не соберутся все пакеты данного сообщения, поэтому в случае потери хотя бы одного пакета сообщение не сможет быть сформировано и передано получателю;

• при длительном ожидании пакетов одного и того же сообщения в конечном узле может скопиться достаточно большое количество пакетов сообщений, собранных не полностью, что требует значительных затрат на организацию в узле буферной памяти большой ёмкости;

• для предотвращения переполнения буферной памяти узла время нахождения (ожидания) пакетов одного и того же сообщения в конечном узле ограничивается, и по истечении этого времени все поступившие пакеты не полностью собранного сообщения уничтожаются, после чего выполняется запрос на повторную передачу данного сообщения; это приводит к увеличению нагрузки на сеть и, как следствие, к снижению её производительности, измеряемой количеством сообщений, передаваемых в сети за единицу времени.

Виртуальный канал

Способ передачи пакетов «виртуальный канал»заключается в формировании единого «виртуального» канала на время взаимодействия абонентов для передачи всех пакетов сообщения. Этот способ реализуется с использованием предварительного установления соединения между взаимодействующими абонентами, в процессе которого формируется наиболее рациональный единый для всех пакетов маршрут, по которому, в отличие от дейтаграммного способа, все пакеты сообщения передаются в естественной последовательности, как это показано на рис. 1.36.

Пакеты П1, П2 и ПЗ сообщения передаются в естественной последовательности от пользователя А к пользователю В по предварительно созданному виртуальному каналу через узлы У1-У4-У7.

Виртуальный канал, как и реальный физический канал в случае коммутации каналов, существует только в течение сеанса связи, при этом ресурсы реальных каналов связи (пропускная способность) и узлов сети (буферная память), находя­щихся на маршруте, резерви­руются на всё время сеанса.

Не следует путать и смешивать коммутацию каналов и способ передачи пакетов «виртуальный канал». Основное их отличие состоит в том, что «виртуальной канал» реализуется с промежуточным хранением пакетов в узлах сети, в то время как коммутация каналов реализуется без промежуточного хранения передаваемых пакетов за счёт создания реального (а не виртуального) физического канала между абонентами сети.

К достоинствам способа передачи пакетов «виртуальный канал» по сравнению с дейтаграммной передачей пакетов можно отнести:

• меньшие задержки в узлах сети, обусловленные резервированием ресурсов, и прежде всего пропускной способности каналов связи, в процессе установления соединения;

• небольшое время ожидания в конечном узле для сборки всего сообщения, поскольку пакеты передаются последовательно друг за другом по одному и тому же маршруту (виртуальному каналу), и вероятность того, что какой-либо пакет «заблудится» в результате неудачно выбранного маршрута или его время доставки окажется слишком большим, как это может произойти при дейтаграммном способе, близка к нулю;

• более эффективное использование буферной памяти
промежуточных узлов за счёт её предварительного резервирования, а
также буферной памяти в конечном узле в связи с небольшим временем
ожидания прихода всех пакетов сообщения.

К недостаткам способа передачи пакетов «виртуальный канал» можно отнести:

• наличие накладных расходов (издержек) на установление соединения;

• неэффективное использование ресурсов сети, поскольку они резервируются на всё время взаимодействия абонентов (сеанса) и не могут быть предоставлены другому соединению, даже если они в данный момент не используются.

Тема № 8: Маршрутизация

Маршрутизация - одна из основных функций компьютерной сети, определяющая эффективность передачи данных. Проблема маршрутизации в компьютерных сетях аналогична проблеме организации автомобильного движения по улицам города и состоит в выборе в каждом узле сети направления передачи данных (выходного канала) из множества возможных направлений в соответствии с адресом назначения и с учётом требований, предъявляемых к качеству передачи. Очевидно, что наиболее просто маршрутизация реализуется в узлах с двумя каналами: данные, поступившие по одному каналу, автоматически направляются в другой канал узла.

Таблица маршрутизации

При наличии нескольких выходных каналов, по которым могут быть переданы данные, маршрутизация реализуется на основе таблицы маршрутизации,вид которой зависит от используемого в сети алгоритма маршрутизации. В простейшем случае каждому адресу назначения ставится в соответствие адрес следующего соседнего узла, к которому должен быть направлен пакет с указанным в заголовке адресом назначения. При наличии альтернативных маршрутов, например в многосвязных сетях, дополнительно могут быть указаны адреса других соседних узлов, через которые проходят альтернативные маршруты. При этом для каждого маршрута задаётся значение некоторой метрики, на основе которой выбирается тот или иной маршрут. В качестве метрики может использоваться расстояние до узла назначения, измеряемое, например, в хопах, пропускная способность соответствующего выходного канала связи и т.д.

На рис. 1.37,а) показан пример простейшей таблицы маршрутизации узла 4 сети с топологией, представленной на рис. 1.37,б). В таблице для каждого адреса назначения указывается направление передачи данных по основному пути и альтернативному пути в случае невозможности передачи по основному пути, например в случае отказа основного пути.

Модель маршрутизатора

На рис. 1.38 показана концептуальная модель функционирования маршрутизатора. По входным каналам связи (ВхКС) пакеты с данными поступают во входной буфер (ВхБ) маршрутизатора. Центральный процессор (ЦП) последовательно анализирует заголовки пакетов и в соответствии с таблицей маршрутизации (ТМ) определяет направление передачи пакета и соответствующий выходной канал связи (ВыхКС). Затем пакет направляется в выходной буфер (ВыхБ) этого канала, где он ожидает освобождения канала, если последний занят передачей предыдущих пакетов. Пакеты, находящиеся в выходном буфере, образуют очередь перед каналом связи. Для дифференцированного обслуживания пакетов разных типов, имеющих разные требования к качеству обслуживания, выбор очередного пакета для передачи по каналу связи может осуществляться в соответствии с некоторой, например приоритетной, дисциплиной обслуживания.

Отметим, что конкретные реализации реальных маршрутизаторов могут существенно различаться. Например, буферная память для хранения пакетов может быть разделена на входную и выходную, как это показано на рис. 1.38, либо выполнена как единая память, где хранятся все пакеты.