Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

В системах передачи цифровых данных при пространственной комму-

тации нет необходимости физически соединять цепи входящих каналов с

исходящими. Достаточно, чтобы биты из входящего канала попали в со-

единяемый исходящий канал. Пространственный коммутатор цифровых

данных строится на основе буфера памяти, размещенного в оперативном за-

поминающем устройстве ОЗУ (рисунок 1.10).

Запись в его ячейки осуществляется устройством записи в процессе

последовательного опроса входящих каналов. Коммутация осуществляется

благодаря считыванию данных из нужных ячеек памяти ОЗУ на исходящие

каналы. При этом происходит задержка выходных данных на время одного

цикла "запись-чтение". На рисунке 1.10 показано состояние узла, при кото-

ром произведена следующая коммутация каналов: 1→ 2; 2→ i; m → n; n

→ 1.

Такие коммутаторы являются полностью цифровыми и могут созда-

ваться на основе больших интегральных схем (БИС). Поэтому их реализа-

ция намного проще и дешевле, чем пространственных коммутаторов для

аналоговых сигналов.

1.3.2. Временная коммутация

В магистральных цифровых системах многоканальной связи передача

данных между узлами коммутации происходит в форме периодической по-

следовательности циклов (кадров) фиксированной длины, подразделенных

на временные интервалы (тайм-слоты). На каждом временном интервале

размещается один или несколько битов данных соответствующего канала.

Задача узла коммутации состоит в том, чтобы данные из одного канала по-

Рисунок 1.10 – Схема пространственной коммутации цифровых каналов

Компьютерные сети

пали в другой. В связи с тем, что номер канала определяется номером вре-

менной позиции, для осуществления коммутации узел должен производить

перестановку битов, поступающих на определенных временных интервалах

входящих кадров, на требуемые временные интервалы исходящих кадров.

Правила перестановки определяются в процессе организации канала на ос-

нове анализа адреса получателя.

На рисунке 1.11 показан упрощенный случай, когда все кадры содержат

по три временных интервала (тайм-слота), а узел производит коммутацию

первого канала с третьим, второго с первым и третьего со вторым.

Узел коммутации выделяет с помощью мультиплексора из i-го кадра

входного потока данные, расположенные на первом временном интервале,

задерживает их и выдает в выходной поток в момент наступления третьего

тайм-слота i-го кадра. Если же необходимо скоммутировать входящий ка-

нал, номер которого равен или больше номера требуемого исходящего кана-

ла, то коммутатор вынужден размещать данные такого канала в последую-

щем, (i+1)-м кадре, по той причине, что i-й интервал времени уже истек.

Временные коммутаторы могут быть реализованы с использованием ЗУ

с произвольным доступом. Существуют две основные схемы построения

временных коммутаторов: с последовательной записью и считыванием с

произвольным доступом и записью с произвольным доступом и последова-

тельным считыванием. Один из вариантов структурной схемы временного

коммутатора показан на рисунке 1.12. Такие коммутаторы также являются

полностью цифровыми и могут создаваться в виде нескольких сверхболь-

ших БИС.

Основным ограничением применения временных коммутаторов являет-

ся требуемое быстродействие коммутации. Например, если время доступа к

памяти составляет 0,05 мкс и время передачи одного кадра 125 мкс (цифро-

вая телефония), то с учетом того, что на каждый временной интервал необ-

ходимо организовать два обращения к памяти (запись и чтение), максималь-

ное число коммутируемых каналов равно 125 / (0,05+0,05)=1250.

Рисунок 1.11 – Схема временной коммутации

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

Если число коммутируемых сигналов имеет большую величину, необ-

ходимо либо увеличивать быстродействие памяти, либо переходить к более

сложным схемам коммутации, в которых совмещается принцип временной и

пространственной коммутации.

1.3.3. Коммутация сообщений и пакетов

В сетях с коммутацией сообщений передача данных осуществляется

без установления сквозного соединения между взаимодействующими або-

нентами. Данные от абонента вначале передаются на ближайший узел ком-

мутации, к которому он подсоединен, и заносятся в запоминающее устрой-

ство узла. По мере освобождения каналов в направлении передачи и нали-

чии свободной памяти в соседнем узле коммутации, сообщение передается

на следующий узел, занимая канал только на период времени передачи дан-

ных между смежными узлами. Такая процедура повторяется на каждом узле,

через который проходит сообщение, до тех пор, пока сообщение не дойдет

до адресата. Поэтому, даже при отсутствии свободных ресурсов, сети с

коммутацией сообщений работают без отказов. Это является одним из ос-

новных преимуществ сетей с коммутацией сообщений. К преимуществу та-

ких сетей относится также более высокая эффективность использования ка-

налов за счет исключения повторных вызовов при отказах и более высокая

надежность доставки сообщений за счет передачи данных по обходным на-

правлениям сети при выходе из строя или перегрузки основного тракта.

Главный недостаток сетей с коммутацией сообщений – наличие за-

держек при доставке информации, причем задержка является случайной.

Кроме того, при передаче больших сообщений повышается вероятность по-

явления в них ошибок, что приводит к необходимости повторной передачи

всего сообщения и, соответственно, к снижению эффективной скорости дос-

тавки информации.

Рисунок 1.12 – Временной коммутатор с последовательной записью

и считыванием с произвольным доступом

Компьютерные сети

Сети с коммутацией сообщений применяются в основном в инте-

гральных сетях передачи данных общегосударственного масштаба. Для по-

строения компьютерных сетей используется принцип коммутации паке-

тов, который является разновидностью коммутации сообщений. В компью-

терных сетях данные содержатся чаще всего в виде файлов, которые имеют

относительно большие размеры. Такие сети не могут нормально функцио-

нировать, если в них передается весь информационный блок (файл) цели-

ком. Во-первых, информационный блок заполняет канал и связывает работу

всей сети, т.е. препятствует взаимодействию остальных абонентов. Во-

вторых, возникновение ошибок при передаче крупных блоков приводит к

повторной передаче всего блока, что существенно снижает эффективную

скорость обмена информацией.

Пакет представляет собой короткое сообщение длиной до несколь-

ких тысяч байтов. Он является самостоятельной адресуемой частью сооб-

щения, которая передается по сети независимо от других пакетов. Причем

канал связи занимается только на время передачи пакета. При разбивке дан-

ных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету

специальную управляющую информацию, которая обеспечивает:

 передачу исходных данных небольшими блоками;

 сборку данных в нужном порядке перед выдачей их потребителю;

 коррекцию ошибок в пакетах.

Обязательными компонентами для всех типов пакетов являются сле-

дующие:

 адрес источника, идентифицирующий компьютер-отправитель;

 адрес места назначения, идентифицирующий компьютер-получатель;

 инструкции сетевым компонентам о маршруте прохождения данных;

 информация узлу коммутации или получателю о том, как объединять

передаваемые пакеты, чтобы получить данные в исходном виде;

 передаваемые данные от источника;

 избыточную информацию для защиты от ошибок.

Сеть пакетной коммутации (рисунок 1.13) состоит их нескольких уз-

лов коммутации пакетов (УКп), к которым подключены персональные ком-

пьютеры (ПК) абонентов сети или серверы. УКп строятся на основе спе-

циализированных ЭВМ, соединенных между собой высокоскоростными

аналоговыми или цифровыми линиями и каналами связи.

Процесс формирования пакета начинается на прикладном уровне эта-

лонной модели взаимодействия открытых сетей, там, где формируются дан-

ные. Сообщение, подлежащее передачи по сети, проходит сверху вниз все

семь уровней. На каждом уровне компьютера-отправителя к блоку данных

добавляется информация, предназначенная для соответствующего уровня

компьютера-получателя.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

В УКп реализуются три нижних уровня эталонной модели, на которых

соответственно используются три типа блоков данных: последовательность

битов, кадр и пакет. На верхних уровнях сообщение рассматривается как

некоторый информационный блок, который на сетевом уровне упаковыва-

ется в пакет. Затем пакеты передаются на канальный уровень, где они раз-

биваются на блоки и к ним добавляется служебная информация, необходи-

мая для управления передачей на канальном уровне. Блок на канальном

уровне получил название "кадр". На физическом уровне кадр представляет-

ся последовательностью битов, выдаваемых в форме физических сигналов в

дискретный канал. При приеме информации происходит обратное преобра-

зование последовательности битов в байты, из которых формируется кадр.

На канальном уровне содержимое служебных полей кадра используется для

выполнения процедур канального уровня, а содержимое поля данных, яв-

ляющееся сетевым пакетом, передается на сетевой уровень.

Управляющее поле пакета формирует сетевой процесс в данном узле

коммутации. Затем пакет вновь преобразуется УКп в кадр, содержащий об-

новленные адреса и соответствующие значения управляющих полей. Сфор-

мированный таким образом кадр данных передается на физический уровень

и отправляется на следующий узел коммутации или на оконечный узел, в

который включен компьютер-получатель.

Существует два способа передачи пакетов по сети: дейтаграммный

(датаграммный) и с использованием виртуальных каналов. Дейтагамма

представляет собой однопакетное сообщение, содержащее всю служебную

Рисунок 1.13 – Структура сети с коммутацией пакетов

Компьютерные сети

информацию, позволяющую ей самостоятельно перемещаться по сети к по-

лучателю. Причем пакеты одного и того же сообщения могут передаваться

по разным маршрутам, независимо друг от друга. Поэтому различные паке-

ты могут прибывать в пункт назначения в последовательности, отличной от

той, в которой они входили в сеть. В некоторых сетях пакетной коммутации

оконечные узлы производят восстановление начального порядка поступле-

ния сообщения в сеть. В других задача сборки и сортировки пакетов возла-

гается на компьютер-получатель. В первом случае на узлах коммутации

требуется наличие более сложных протоколов для восстановления потерян-

ных или искаженных пакетов, обнаружения пакетов-дубликатов, при этом

требуется большая емкость памяти. Если поток пакетов, поступающих на

УКп, превышает допустимый, т.е. пакеты не могут быть переданы на око-

нечный пункт вследствие отсутствия свободных каналов и памяти на УКп,

то часть пакетов теряется. Это явление называют перегрузкой сети. В связи

с этим дейтаграммный способ передачи не гарантирует стопроцентную дос-

тавку пакетов.

Виртуальное соединение (виртуальный канал) представляет собой

логическое двухточечное соединение между абонентами отправителя и по-

лучателя. При виртуальном соединении перед передачей основной инфор-

мации на узел пакетной коммутации посылается служебный пакет, запра-

шивающий ресурсы памяти для передачи заданного сообщения. В случае

получения отказа из-за отсутствия на узле свободных ресурсов пакет с око-

нечного пункта не посылается и тем самым не загружается сеть. Виртуаль-

ное соединение является аналогом соединения в сети с коммутацией кана-

лов, за исключением того, что в нем образуется логическое, а не физическое

соединение. Таким образом, при передаче сообщений в виртуальных соеди-

нениях все пакеты следуют по одному и тому же заранее установленному

маршруту. Для формирования необходимого маршрута и его оптимизации

используются различные методы маршрутизации сообщений.

Чтобы узел смог отличать дейтаграммный способ от передачи на ос-

нове виртуальных соединений в пакете, принадлежащей сети на основе вир-

туальных соединений, располагается идентификатор виртуального канала.

Управление потоком в сети ведется как узлами коммутации, так и оконеч-

ным оборудованием данных. Первые проверяют загруженность сети, а вто-

рые собственно управляют потоком данных. Для контроля над перегрузкой

сети используются специальные биты уведомления о перегрузке.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

1.4. Адресация и маршрутизация потоков в сетях

1.4.1. Виды адресации

Для доставки сообщений в компьютерной сети необходимо указывать

адрес получателя. Адреса в компьютерных сетях подразделяются на ло-

кальные, глобальные (межсетевые) и символьные.

Под локальными понимают такой тип адреса, который используется

для доставки данных в пределах только одной сети. Так, например, если

подсетью объединенной сети является локальная сеть, то локальный адрес

носит название МАС-адрес (от слова Media Access Control – управление

доступом к среде). МАС-адреса присваиваются производителями сетевого

оборудования сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов.

В связи с этим локальные адреса иногда называют аппаратными или физи-

ческими.

Глобальные адреса предназначены для использования в объединенной

сети. Адресное пространство глобальных сетей обычно подразделяется на

отдельные области – домены. Такое решение упрощает адресацию компью-

теров и позволяет использовать в различных доменах одни и те же значения

адресов. Адреса действительны внутри только того адресного пространства

(адресного домена), которому они принадлежат и являются однозначными.

В зависимости от количества составных частей адреса их подразделя-

ют на одно- и многоступенчатые. Локальные адреса состоят из одной час-

ти, т.е. являются одноступенчатыми. Примером многоступенчатой адреса-

ции является ISO-адресация сетевого уровня. В такой системе адрес содер-

жит следующие составные части:

 идентификатор первичного домена IDP (Initial Domain Part) – задает

адресное пространство самой верхней ступени иерархии адресов;

 идентификатор авторизации и формата – AFI (Authority and Format ID)

– указывает какая организация управляет адресами доменов (ITU,

ISO);

 иниацилизатор домена IDSP (Initial Domain Specific Part) – задает ад-

реса домена;

 указатель адреса поддомена DSP (Domain Specific Part).

Межсетевые IP-адреса широко используемой сети Интернет являются

двухступенчатыми. Первая ступень содержит имя сети (подсети), а вторая –

имя компьютера (хоста) в данной сети. Эти адреса представляют собой 32-

битовые идентификаторы. Для удобства представления IP-адресов для поль-

зователя применяется их цифровое написание, при котором адрес записы-

вается, как десятичное представление 4-х байт (октетов), разделенных точ-

Компьютерные сети

ками, например: 192.171.153.60.

Символьные адреса представляют собой последовательность некото-

рых символов для обозначения месторасположения устройства или абонента

в сети. Для обеспечения однозначности имен абонентов различных доменов

в общем пространстве адресов, дополнительно к внутридоменному адресу

абонента, добавляется обозначение домена, к которому относится данный

абонент. Такие имена часто используются для символического обозначения

адресов и облегчают запоминание их пользователями. Например, имя

petrenko.is.sevntu обозначает адрес нахождения пользователя, т.е. показыва-

ет, что студент Петренко учится на кафедре информационных систем Сева-

стопольского национального технического университета.

Сетевые адреса подразделяются также на групповые и широковеща-

тельные. В случае групповой адресации (Multicast-Address) можно опраши-

вать (адресовать) несколько оконечных пунктов одновременно. Особым ви-

дом группового адреса является широковещательный адрес (Broadcast-

Address). При указании такого адреса сообщение поступает всем компьюте-

рам сети. На практике для задания широковещательного адреса часто ис-

пользуется последовательность, состоящая из всех единиц.

1.4.2. Способы маршрутизации сообщений

В процессе соединения между двумя абонентами необходимо указать

маршрут в сети, т. е. определить те узлы сети, через которые будет прохо-

дить соединение. Процесс выбора маршрута прохождения сообщения назы-

вается маршрутизацией. Цель маршрутизации - доставка пакетов по назна-

чению с максимальной эффективностью. Чаще всего эффективность выра-

жена взвешенной суммой времен доставки сообщений при ограничении на

вероятность доставки их получателю. Маршрутизация сводится к определе-

нию направлений движения пакетов в узлах (маршрутизаторах). Выбор од-

ного из возможных в узле направлений зависит от текущей топологии сети,

которая может меняться хотя бы из-за временного выхода некоторых узлов

из строя, длин очередей в узлах коммутации, интенсивности входных пото-

ков и т.п. Алгоритмы маршрутизации включают следующие типовые проце-

дуры:

 измерение и оценивание параметров сети;

 принятие решения о рассылке служебной информации;

 расчет таблиц маршрутизации;

 реализация принятых маршрутных решений.

Соединения должны организовываться таким образом, чтобы, по воз-

можности, они были наиболее короткими, но вместе с тем соблюдалась рав-

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

номерность загрузки каналов и узлов, т.е. при организации канала следует

обходить те участки сети, которые в данный момент перегружены. Для иде-

альной маршрутизации необходимо учитывать всю информацию о состоя-

нии сети, а также прогнозировать будущую загрузку на некоторый интервал

времени. Реализация этого потребовала бы сбора в едином центре всей ин-

формации о сети (загрузка трактов, отказы узлов и каналов и так далее).

Сбор информации в единый центр приводит к дополнительной загруз-

ки сети передачей служебной информацией. Объем этих данных увеличива-

ется с ростом размерности сети, вследствие чего в больших сетях возникают

задержки. Все это приводит к тому, что задача выбора маршрута в большой

сети становится очень сложной и для ее решения применяются специальные

методы маршрутизации.

Классификацию видов маршрутизации проводят по различным при-

знакам, в частности по степени централизации:

 распределенная, при которой каждый узел сети самостоятельно при-

нимает решение о выборе маршрута;

 централизованная, если маршрут определяется центром управления

сети и сообщается всем узлам, которые находятся на данном маршруте;

 смешанная, когда маршрут вычисляется в узлах коммутации на осно-

ве рекомендаций центра управления.

По используемой информации для выбора пути различают следую-

щую маршрутизацию:

 без учета информации о сети, являющуюся простейшим способом и

осуществляемую по всем направлениям, либо по случайно выбранному пу-

ти;

 с учетом локальной информации, при которой применяется только та

информация, которая имеется на узле;

 с учетом глобальной информации, в случае которой принимается во

внимание состояния соседних узлов сети.

В компьютерных сетях применяются различные способы маршрути-

зации: волновой, с фиксированными и альтернативными путями, альтерна-

тивный.

Волновая (лавинная) маршрутизация (flooding). При этом способе

осуществляется децентрализованная маршрутизация без учета какой-либо

информации о сети. Суть его состоит в следующем. Поступивший в узел

пакет передается по всем выходным направлениям (широковещательная пе-

редача), за исключением узла, с которого поступил пакет. Если в узел по-

ступает пакет, который уже проходил по нему, то этот пакет стирается.

Чтобы размножающиеся пакеты не перегружали сеть, удаляются некоторые

пакеты, тайм-аут которых истек, либо прошедших через количество узлов,

превышающее некоторое заданное число. Существует усовершенствованная

Компьютерные сети

версия широковещательной маршрутизации, называемая селективной ши-

роковещательной рассылкой. По этому способу рассылка производится не

по всем возможным направлениям, а только по тем, которые предположи-

тельно ведут в правильную сторону.

Основным достоинством способа является высокая надежность (ис-

пользование в специальных сетях). Недостаток – сильная загрузка сети, ус-

ложнение узлов. Разработаны модификации способа, при которых ограни-

чивается зона распространения "волны" определенной областью сети. Спо-

соб волновой маршрутизации достаточно широко используется в локальных

сетях при передаче широковещательных сообщений.

Маршрутизация с фиксированными путями подразделяется на од-

номаршрутную и на маршрутизацию с альтернативными путями. Последняя

относится к распределенному способу маршрутизации, при котором исполь-

зуется только информация о топологии сети. Текущее состояние сети не

учитывается. Соединение между узлами при одномаршрутном способе осу-

ществляется всегда по одному и тому же пути. Любые изменения в мар-

шрутные таблицы вносит только администратор сети. Основное достоинст-

во способа – его простота, однако, при отказах отдельных направлений

часть соединений при этом способе вообще не возможна. К недостатку та-

кой маршрутизации следует отнести также игнорирование фактической за-

грузкой трактов. Поэтому способ с фиксированными путями используется

преимущественно на сетях со стабильной нагрузкой.

Маршрутизация с альтернативными путями относится к распре-

деленному способу маршрутизации с учетом локальной информации о топо-

логии сети. Для каждого адресата существует несколько путей. При работе

сети для всех возможных маршрутов вычисляется определенная доля тра-

фика (информационного потока), которую следует по нему передавать. При

этом способе учитывается только топология сети, но не используются све-

дения о состоянии сети или данного узла. Администратор сам решает, по

какому пути (путям) следует передавать пакеты.

Адаптивная маршрутизация учитывает динамическое состояние уз-

ла или сети, т.е. маршрут адаптируется к состоянию сети. Способы адаптив-

ной маршрутизации разделяют на локальные (учет только состояния собст-

венного узла) и глобальные, в которых учитывается состояние всей сети или

большей ее части. Протоколы, построенные на основе адаптивной маршру-

тизации, позволяют всем узлам собирать информацию о топологии сети и

оперативно обрабатывать все изменения ее конфигурации.

Для определения необходимого маршрута на узлах размещаются ад-

ресные таблицы, содержащие полный набор идентификаторов (адресов),

опознаваемых на данном узле коммутации. В адресной части каждого паке-

та имеется идентификатор получателя или набор адресов узлов, через кото-