Структура сети и коммутация пакетов

Сети ЭВМ представляют собой множество узлов, в которых располагаются вычислительные ресурсы (соединенные в свою очередь в сеть с помощью узловых коммуникационных ЭВМ), связанные между собой множеством линий передачи. В узловых коммуникационных ЭВМ выполняются задачи, связанные с передачей сообщений (включающей выбор маршрутов, передачу квитанций, контроль ошибок и управление потоками, формирование очередей и др.), вводом и выводом сообщений, которые возникают и адресуются терминалом и основным процессорам данного узла. Эти задачи отделены от основных вычислительных функций и переданы коммуникационным ЭВМ, специально предназначенных для их решения.

Таким образом, сети ЭВМ удобно разбить на две следующие подсети: подсеть связи, осуществляющую передачу сообщений, и совокупность вычислительных и терминальных средств, которые составляют подсеть ресурсов и пользователей.

Рис. 1 Структура сети.

На рисунке показана довольно общая структура сети. Вычислительные средства выполняют задачи обработки и хранения информации. Они связаны между собой с помощью подсети связи (которая состоит из коммуникационных узлов и высокоскоростных каналов связи). Все входы и выходы подсети связи проходят через коммуникационные узлы. Через данную коммуникационный узел можно подсоединить более чем одно вычислительное устройство. Терминалы могут быть либо местными по отношению к некоторому вычислительному устройству, либо удаленными (соединенными с устройством через некоторую так называемую дистанционную терминальную сеть и затем выводятся в высокоскоростную сеть), либо они вообще могут быть не привязаны ни к какому вычислительному устройству (одинокие терминалы или даже сети одиноких терминалов). Одинокие терминалы имеют прямой доступ к коммуникационной ЭВМ. Сети связи условно могут быть разбиты на 3 типа: сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений, коммутацией пакетов.

Сеть с коммутацией цепей работает так, что она устанавливает весь путь из соединенных линий от посылающей стороны до места назначения вызова или требования. Этот полный путь устанавливается с помощью специальных сообщений сигнализаций, которые сами прокладывают себе путь по сети и занимают каналы на пути после их прохождения. После установления пути сигналы, посылаемые в обратном направлении извещают источник, что можно начинать передачу данных, и все каналы этого пути затем используются одновременно. Весь путь остается связанным с этой передачей (независимо от того, используется он или нет), и только когда источник освободит цепь, все эти каналы возвращаются в пул каналов, доступных для использования в других путях. Коммутация цепей обычно используется в телефонных системах.

При коммутации сообщений в определенный момент времени используется только один канал для данной передачи. Сообщение сначала передается от одного узла источника к следующему узлу на его пути: после приема всего сообщения этим узлом выбирается следующий шаг в его следовании. Если выбранный канал занят, то сообщение ожидает в очереди и когда канал освободится, передача возобновляется. Таким образом, при успешной передаче по сети с промежуточным хранением сообщения прыгают от одного узла к другому, используя лишь один канал в любой данный момент времени или, возможно, ожидая в очереди освобождения занятых каналов.

Коммутация пакетов в основном напоминает коммутацию сообщений. За исключением того, что сообщения разбиваются на более мелкие части, называемые пакетами, каждый из которых имеет максимальную длину. Эти пакеты нумеруются и снабжаются адресом (как и при коммутации сообщений) и прокладывают себе путь по сети. Таким образом, множество пакетов одного и того же сообщения могут передаются одновременно, что является одним из главных преимуществ коммутации пакетов. В результате заметно(по сравнению с коммутацией сообщений) снижается время передачи. Описанные 3 способа передачи информации иллюстрируются на рисунке.

Рис. 2. Передача данных в сетях различных типов.

В последовательность сообщений для коммутации цепей включены процесс соединения в каждом узле (который вносит главный вклад в задержку) и следующая за ним передача устанавливающего сигнала(имеющего нулевую длину), который поступает в коммутатор В спустя время распространения (~ скорость света). Отметим, что требуется только один временной интервал для передачи сообщения. Установленный путь фактически указывает адрес для данных.

При коммутации сообщений, после небольшой задержки для переключения коммутатора (чтобы выбрать маршрут и т.д.) происходит передача из А в В. Кроме данных передается заголовок (для идентификации и выбора маршрута, так как путь здесь не устанавливается). После того как к В закончит прием всего сообщения, последовательность событий повторяется при переходе от В к С и т.д.

При коммутации пакетов сообщение разбивается на пакеты каждый со своим собственным заголовком. Из-за отсутствия заголовка число бит, передаваемых при коммутации цепей наименьшее, затем- при коммутации сообщений, затем при коммутации пакетов. Однако, если длины сообщений не слишком велики, время передачи по сети будет наименьшим при коммутации пакетов. В самом деле, задержка при коммутации сообщений пропорциональна произведению длины сообщения на число участков сети; при коммутации пакетов она пропорциональна произведению длины пакета на число участков + слагаемое пропорциональное длине сообщения. Для цифровой передачи данных (особенно когда данные группируются) более предпочтительно использовать коммутацию пакетов. Ясно, что если имеется необходимость в передаче длинного непрерывного потока данных, то подходящим решением может быть некоммутируемая (или коммутируемая) линия. Если же поток данных имеет группирующуюся структуру (что типично для ЭВМ), то большое преимущество дает использование метода коммутации пакетов.

Имеется целый ряд вопросов, связанных с коммутацией пакетов. Например, так как пакеты хранятся при прохождении через коммуникационные узлы, то преобразования скорости, формата и кода можно проводить во время коммутации. Это нельзя выполнить при коммутации цепей, которые поэтому требуют полной совместимости всей линии от конца до конца. В сети со средней нагрузкой, для сигнала, выполняющего установление пути, может оказаться трудным найти весь путь из свободных каналов; при этом будет послан сигнал «занято», вызванный блокировкой сети. При коммутации пакетов нужно, чтобы свободным был лишь следующий канал на пути. Другим важным свойством коммутации пакетов является способность к адаптивному выбору хороших путей в зависимости от перегрузок в сети. Другим важным свойством разбиения на пакеты является снижение требований к памяти узла.

При коммутации пакетов сообщения передаются не только по любому отдельно взятому пути, но и по ряду альтернативных путей. При перемещении пакетов и сообщений по сети могут встретиться некоторые непредвиденные обстоятельства, и поэтому по многим причинам (ошибки, блокировка памяти, тайм-ауты и др.) пакеты и сообщения могут прибыть к месту назначения не в их естественном порядке, размноженными или даже потеряться.

Сети с коммутацией пакетов имеют следующие свойств:

· случайная задержка

· случайная скорость передачи

· поступление пакетов и сообщений не в их естественном порядке

· потеря и размножение пакетов и сообщений

· память в узлах

· согласование скорости между сетью и присоединенными к ней системами.

Эффективное проектирование сетей является весьма сложной задачей.

В общем случае (подсеть) сеть связи составляют:

1. Физическая сеть, состоящая из коммуникационных ЭВМ и каналов связи;

2. Потоки сообщений (которые описываются местом их возникновения, местом назначения, временем возникновения, длиной и приоритетным классом), которые движутся по сети в соответствии с методом передачи с промежуточным хранением.

3. Множество операционных правил, согласно которым обрабатывается поток этих сообщений.

При синтезе таких сетей приходится иметь дело с рядом процедур, которые нужно выбирать. К ним относятся процедура выбора маршрута сообщений, процедура управления потоками, выбор пропускных способностей каналов, дисциплина для очередей с приоритетами, выбор топологической конфигурации.

Процедура выбора маршрута сообщений представляет собой правила выбора (согласно некоторому, возможно, рандомизированному алгоритму) следующего узла, в который сообщение придет на своем пути. В этот алгоритм входят также параметры, как место возникновения и место назначения сообщения, приоритет сообщения, возможность использования определенных каналов, перегрузки или устранение определенных узлов и каналов. Фиксированная процедура выбора маршрутов – такая процедура, при которой путь сообщения по сети однозначно устанавливается лишь по местам его возникновения и назначения. Если в процедуре разрешается использование более чем одного пути, то она называется процедурой выбора маршрутов допускающей альтернативы. Выбор альтернативных путей может производиться либо детерминировано, либо случайно. В первом случае – детерминированная процедура выбора маршрутов, во втором – случайная. Если алгоритм выбора маршрутов основан на решениях относительно некоторых параметров текущего трафика и (или) выхода из строя узлов или каналов, то соответствующую процедуру называют динамической или адаптивной процедурой выбора маршрутов.

Контрольные вопросы.

1. В чем отличие сети с коммутацией каналов от остальных типов сетей?

2. Каковы преимущества сетей с коммутацией пакетов?

3. В чем отличие глобальных сетей от локальных?

4. Каковы основные свойства сетей с коммутацией каналов?

5. Что такое фиксированная процедура выбора маршрутов?

6. В чем отличие статической процедуры выбора маршрутов от динамической?

7. Какие компоненты образуют коммуникационную сеть?

8. В чем заключается управление потоками в сети?

Лекция №2

Дата добавления: 2014-01-06