84760

Сети с установлением соединений. Принцип передачи пакетов на основе виртуальных каналов

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

При создании коммутируемого виртуального канала маршрутизация пакетов в узлах сети выполняется с использованием маршрутных таблиц только один раз на этапе установления соединения. При этом каждому виртуальному каналу присваивается идентификатор (номер) виртуального канала...

Русский

2015-03-21

388.16 KB

4 чел.

Лекция 14

4.3 Сети с установлением соединений

4.3.1 Принцип передачи пакетов на основе виртуальных каналов

Существуют два типа виртуальных каналов:

• коммутируемый виртуальный канал (Switched Virtual Circuit, SVC), который создаётся по запросу абонента до начала передачи данных и только на время сеанса;

постоянный виртуальный канал (Permanent Virtual Circuit, РVС), который создается вручную администратором сети (возможно, с привлечением централизованных средств управления сетью) и не изменяется в течение достаточно длительного (в пределе неограниченного) времени.

При создании коммутируемого виртуального канала маршрутизация пакетов в узлах сети выполняется с использованием маршрутных таблиц только один раз на этапе установления соединения. При этом каждому виртуальному каналу присваивается идентификатор (номер) виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), на основе которого в дальнейшем происходит передача пакетов между узлами сети.

Значение VCI имеет не глобальный характер, а локальный — действует только в пределах данного узла, причём VCI в разных узлах одного и того же виртуального канала в общем случае различны. В процессе создания виртуального канала для каждого порта узла формируются таблицы коммутации, предписывающие, на какой порт нужно передать пришедший пакет с определенным значением VCI. После создания виртуального канала узлы продвигают пакеты на основании значений VCI небольшой разрядности (не более 24 бит), а не адресов длиной десятки и даже сотни бит. Кроме того таблицы коммутации портов обычно содержат меньше записей, чем таблицы маршрутизации, так как хранят сведения только о действующих в данный момент соединениях, проходящих через данный порт коммутатора.

Такая организация передачи данных позволяет уменьшить задержку пакетов в сети за счет следующих факторов:

1) решение о продвижении пакета принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации;

2) возрастает эффективная (полезная) скорость передачи данных за счет уменьшения доли служебной информации в заголовке пакета, так как идентификатор виртуального канала в заголовке пакета обычно занимает не более 24 бит, в то время как адреса конечных узлов в территориально-распределенных и глобальных сетях обычно имеют достаточно большую длину и занимают 6 и более байт.

Использование постоянных виртуальных каналов (РVС) более эффективно, чем коммутируемых, поскольку отсутствует этап установления соединения, и продвижение кадров выполняется на основе заранее сформированных таблиц коммутации. Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу - обмен пакетами может про исходить в любой момент времени. В то же время РVС отличается от выделенного канала тем, что пользователь делит пропускную способность сети с другими пользователями. С одной стороны, это обусловливает основной недостаток РVС по сравнению с выделенным каналом — отсутствие гарантий относительно реально предоставляемой пропускной способности, а с другой стороны - делает использование РVС дешевле, чем аренда выделенной линии.

Использование виртуальных каналов оказывается эффективным при передаче через сеть долговременных потоков данных, но неэффективным для кратковременных потоков, так как на установление соединения уходит достаточно много времени.

4.3.2 Сети Х.25

Стандарт Х.25 «Интерфейс между оконечным оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования» наилучшим образом подходит для передачи трафика низкой интенсивности, характерного для терминалов, и в меньшей степени соответствует более высоким требованиям трафика локальных сетей.

Сети, доступ к которым производится в соответствии с рекомендациями Х.25, называют сетями Х25 или сетями пакетной коммутации. Стандарт не описывает внутреннее устройство сети Х.25, а только определяет пользовательский интерфейс с сетью.

Сети Х.25 долгое время были единственно доступными сетями, которые хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях канальном и сетевом.

Взаимодействие двух сетей Х.25 определяет стандарт Х.75.

Сети Х.25 характеризуются следующими особенностями.

Сеть Х.25 состоит из коммутаторов, называемых центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных выделенными каналами (рис.126), которые могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

Для выполнения операций сборки нескольких низко скоростных потоков байт от алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки, и обратной разборки пакетов, в сети используются специальные устройства - РAD (packet Assembler Disassembler - Сборщик-разборщик пакетов), которые в русскоязычных источниках называются ПАД (Пакетный Адаптер Данных). ПАД могут быть встроенными или удалёнными.

Рис. 126

Функциями ПАД в соответствии со стандартом Х.3 являются:

• сборка символов, полученных от асинхронных терминалов Т, в пакеты;

• разборка пакетов и вывод данных на асинхронные терминалы;

• управление процедурами установления соединения и разъединения по сети х.25;

• передача символов по требованию асинхронного терминала и др.

Терминалы не имеют конечных адресов сети Х.25. Адрес присваивается порту ПАД, который подключен к коммутатору пакетов Х.25 с помощью выделенного канала.

Компьютеры и локальные сети подключаются к сети Х.25 непосредственно через адаптер Х.25 или маршрутизатор (рис.126) с поддержкой протоколов Х.25.

Протоколы сетей Х.25 были разработаны для низкоскоростных каналов связи с высоким уровнем помех и не гарантируют требуемой пропускной способности, но могут устанавливать приоритет трафика отдельных виртуальных каналов, который указывается в запросе на установление соединения в поле услуг.

4.3.3 Сети Frame Relay

Сети Frame Relay по сравнению с сетями Х.25 гораздо лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей в тех случаях, когда каналы связи приближаются по качеству к каналам локальных сетей, например при использовании волоконно-оптических кабелей.

Основные особенности технологии Frame Relay следующие:

1. Низкая протокольная избыточность и дейтаграммный режим работы сетей Frame Relay обеспечивает высокую пропускную способность (до 2 Мбит/с) и небольшие задержки кадров. В то же время технология Frame Relay не обеспечивает надежную передачу кадров, возлагая эти функции на протоколы верхних уровней.

2. Гарантированная поддержка основных показателей качества обслуживания - средней скорости передачи данных по виртуальному каналу при допустимых пульсациях трафика - основная особенность, отличающая технологию Frame Relay от Х.25.

3. Стандарты Frame Relay определяют два типа виртуальных каналов - постоянные (РVС) и коммутируемые (SVC).

4. Технология Frame Relay использует для передачи данных технику виртуальных соединений, аналогичную той, которая применяется в сетях Х.25. Однако пользовательские данные (при установленном виртуальном соединении) в сетях Frame Relay передаются по протоколам только физического и канального уровней, в то время как в сетях Х.25 после установления соединения данные передаются протоколом 3-го уровня.

5. По сравнению с технологией Х.25 в сетях Frame Relay меньше накладные расходы при передаче данных, так как они вкладываются в кадры канального уровня, а не в пакеты сетевого уровня, как в сетях Х.25.

6. Протокол канального уровня LAP-F в сетях Frame Relay, относящийся к семейству протоколов HDLC, имеет два режима работы - основной (core) и управляющий (control). В основном режиме кадры передаются без преобразования и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети Frame Relay обладают весьма высокой производительностью, так как кадры в коммутаторах не подвергаются преобразованию, а сеть не передает квитанции подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр, как это происходит в сети Х.25. Пульсирующий трафик передаётся в сети Frame Relay достаточно быстро и без больших задержек

7. Технология Frame Relay, ориентированная на использование каналов связи высокого качества, не предусматривает выполнение функций по обнаружению и коррекции искажённых кадров. Эти функции возлагаются на конечные узлы, которые должны обнаруживать и корректировать ошибки с использованием протоколов транспортного или более высоких уровней. В этом отношении технология Frame Relay близка к технологиям локальных сетей, таким как Ethernet, Token Ring и FDDI, которые тоже только отбрасывают искаженные кадры, но сами не занимаются их повторной передачей.

Способность технологии Frame Relay гарантировать некоторые параметры качества обслуживания (QoS) является ключевой.  Для этого при установлении соединения используется процедура заказа качества обслуживания, отсутствующая в сетях Х.25 и заключающаяся в следующем.

Для каждого виртуального соединения определяются значения параметров, влияющих на качество обслуживания (рис.127):

• CIR (Committed Information Rate) согласованная информационная скорость, с которой сеть будет передавать данные пользователя;

Bc (Committed Burst Size) - согласованный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет передавать от этого пользователя за интервал времени Т;

Bе (Excess Burst Size) - дополнительный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет пытаться передать сверх установленного значения Bc за интервал времени Т.

Гарантий по задержкам передачи кадров технология Frame Relay не дает, оставляя эту услугу сетям АТМ.

Рис. 127

Основным параметром, по которому абонент и сеть заключают соглашение при установлении виртуального соединения, является согласованная скорость передачи данных. Для постоянных виртуальных каналов это соглашение является частью контракта на пользование услугами сети. При установлении коммутируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заключается автоматически,  требуемые параметры CIR, Bc и Bе передаются в пакете запроса на установление соединения.

Пользователь может включить в соглашение не все параметры качества обслуживания, а только некоторые. Например, использование параметров CIR и Вс обеспечивает более качественное обслуживание.

Услуги Frame Relay и X.25 обычно предоставляются одними и теми же операторами. Технология Frame Relay в территориальных сетях с коммутацией пакетов можно рассматривать как аналог технологии Ethernt в локальных сетях. Обе технологии:

• предоставляют быстрые базовые транспортные услуги, доставляя кадры без гарантий в узел назначения дейтаграммным способом;

• если кадры теряются, то не предпринимаются никакие усилия для их восстановления.

Отсюда вывод - полезная пропускная способность при работе через сети Frame Relay зависит от качества каналов и методов восстановления пакетов на уровнях стека протоколов, расположенного над протоколом Frame Relay. Если каналы качественные, то кадры будут теряться и искажаться редко, так что скорость восстановления пакетов протоколами транспортного уровня будет вполне приемлема. Если же кадры искажаются и теряются часто, то полезная пропускная способность в сети Frame Relay может упасть в десятки раз, как это происходит в сетях Ethernet при плохом состоянии кабельной системы. Поэтому сети Frame Relay следует применять при наличии на магистральных каналах волоконно-оптических кабелей высокого качества. Каналы доступа могут быть и на витой паре, при условии обеспечения приемлемого уровня искажения данных.

Отсутствие гарантий на задержку передачи кадров в сетях Frame Relay и сравнительно небольшая скорость передачи данных в 2 Мбит/с ограничивают их применение для передачи голоса и практически делают невозможным передачу видео.

Для передачи голоса в сетях Frame Relay используется приоритезация трафика, заключающаяся в присвоении кадрам, переносящим замеры голоса, приоритетов. Магистральные коммутаторы Frame Relay такие кадры обслуживают в первую очередь.

4.3.4 Технология АТМ

АТМ (Asynchronous Transfer Mode) - технология асинхронного режuма передачи, использующая маленькие пакеты фиксированного размера, называемые ячейками (cells), предназначенная для передачи в сети различных видов трафика - голос, видео и данные, обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивых к задержкам данных. Технология АТМ может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традиционные локальные сети.

АТМ разрабатывалась как альтернатива синхронной передаче STM (Synchronous Transfer Mode), в основе которой лежит технология TDM. Главный недостаток технологии TDM заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами (временными слотами), которые предоставляются пользователям для передачи данных. Если временной слот не используется пользователем и подканал свободен, его ресурсы не могут быть переданы другому пользователю, что приводит к потере пропускной способности канала и, как следствие, к снижению реальной скорости передачи данных. В технологии АТМ ячейки не привязаны к временным слотам, а их идентификация на приёмной стороне осуществляется не по номеру слота, а по идентификатору виртуального соединения.

Трафик современных компьютерных сетей можно разбить на два больших класса:

• потоковый (stream), представляющий собой равномерный поток данных (рис.128,а) с постоянной битовой скоростью (CBR - Constant Bit Rate);

• пульсирующий (burst), представляющий собой неравномерный непредсказуемый поток данных (рис.128,б) с переменной битовой скоростью (VBR - Variable Bit Rate ).

Потоковый трафик характерен для аудио и видео данных, для которых основной характеристикой качества обслуживания является задержка передачи данных. Пульсирующий трафик формируется приложениями, связанными, например, с передачей файлов и при работе пользователей в режиме «запрос-ответ» . Пульсирующий трафик обычно нечувствителен к задержкам, но чувствителен к потерям и искажениям передаваемых пакетов.

Рис. 128

Технология АТМ разрабатывалась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями за счёт использования:

• техники виртуальных каналов;

• предварительного заказа параметров качества обслуживания;

• приоритезации трафика.

Стандарты определяют АТМ как интерфейс и протокол, которые разработаны для коммутации трафика через общую высокоскоростную среду с постоянной или переменной битовой скоростью.

Подход, реализованный в технологии АТМ, состоит в передаче любого вида трафика - компьютерного или мультимедийного — пакетами фиксированной длины в 53 байта, называемыми ячейками (сеll). Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок - 5 байт.

Размер ячеек выбирался исходя из двух противоречивых условий:

• с одной стороны, размер ячейки должен быть достаточно мал, чтобы сократить время задержки в узлах сети;

• с другой стороны, размер ячейки должен быть достаточно велик, чтобы минимизировать потери пропускной способности, обусловленные накладными расходами на передачу заголовка ячейки.

Для уменьшения доли служебной информации в ячейке в технологии АТМ применен стандартный для территориально-распределенных вычислительных сетей прием - передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального соединения в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора сети АТМ.

Сеть АТМ имеет классическую структуру территориальной сети (рис.129,а) - конечные станции А, В, . . . , G соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами, которые в свою очередь могут соединяться с другими коммутаторами. Соответственно в стандарте определены 2 типа интерфейса (рис.129,б):

• пользователь - сеть (User-Network Interface, UNI);

• сеть - сеть (Network-Network Interface, NNI).

Спецификация UNI определяет:

Рис. 129

• структуру пакета,

• адресация станций,

• обмен управляющей информацией,

• уровни протокола АТМ,

• способы установления виртуального канала,

• способы управления трафиком.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Chanel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения.

Виртуальные каналы могут быть постоянными (РVС) и коммутируемыми (SVC). Для ускорения коммутации в больших сетях используется понятие виртуального пути (Virtuаl Path), который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети АТМ общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, адресация в технологии АТМ реализована на двух уровнях:

• на уровне адресов конечных узлов (на этапе установления виртуального канала);

• на уровне номеров виртуальных каналов (при передаче данных по сформированному виртуальному каналу).

Стандарт АТМ не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня и основывается на технологии SDH/SONET, принимая её иерархию скоростей. Организация АТМ Forum определила для АТМ не все иерархии скоростей SDH, а только скорости 155 Мбит/с с использованием волоконно-оптического кабеля или неэкранированной витой пары категории 5 и 622 Мбит/с с использованием только волоконно-оптического кабеля.

Имеются и другие физические интерфейсы сетей АТМ, отличные от SDH/SONET:

• интерфейсы Т1/E1 и ТЗ/EЗ, используемые в глобальных сетях;

• интерфейсы локальных сетей со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и 25 Мбит/с.

Для решения задачи совмещения разнородного трафика в одной сети в технологии АТМ реализован принцип заказа пропускной способности и качества обслуживания, как в технологии Frame Relay.

Стек протоколов АТМ показан на рис.130, а распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам АТМ - на рис.131.

Стек протоколов АТМ соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает:

Рис. 130

• уровень адаптации АТМ,

• собственно уровень АТМ;

• физический уровень.

Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели OSI нет.

Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов, которые преобразуют блоки данных протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов ТСР или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети (см. рис.131), как и транспортные протоколы большинства технологий.

Уровень АТМ занимает в стеке протоколов АТМ примерно то же место, что протокол IP в стеке TCP/IP или протокол LAP-F в стеке протоколов технологии Frame Relay. Протокол АТМ занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов.

Рис. 131

Протокол АТМ выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии АТМ разбит на две части - идентификатор виртуального пути (Virtuаl Path Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtuаl Channel Identifier, VCI). Кроме этой основной задачи протокол АТМ выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети.

Качество обслуживания в АТМ-сетях задаётся следующими параметрами трафика виртуального соединения:

• пиковая скорость передачи ячеек (Peak Сеll Rate, PCR);

• средняя скорость передачи ячеек (Sustained Сеll Rate, SCR);

• минимальная скорость передачи ячеек (Мinimum Сеll Rate, MCR);

• максимальная величина пульсаций (Maximum Burst Size, МBS);

• доля потерянных ячеек (Сеll Loss Ratio, CLR);

• задержка ячеек (Сеll Transfer Delay, CTD);

• вариация задержек ячеек (Сеll Delay Variation, CDV).

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству передачи данных, в АТМ-сетях различают несколько классов трафика, различающихся:

• скоростью передачи;

• чувствительностью к задержкам;

• способом установления соединения;

• совокупностью параметров качества обслуживания.

Основной соперник технологии АТМ в локальных сетях - гигабитные технологии Ethernet. Там, где необходима высокоскоростная магистраль и не требуется поддержка качества обслуживания разных типов трафика, целесообразно использовать технологию Gigabit Ethernet. Технология АТМ может оказаться предпочтительней там, где важно обеспечить заданное качество обслуживания (видеоконференции, трансляция телевизионных передач и т. п.).

В территориально-распределенных сетях АТМ применяется там, где сеть Frame Relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8295. Преуспевать с радостью. Учебник к психологии успеха 870.5 KB
  Когда все говорят о кризисе, не надо этого делать. Несомненно, люди - существа, легко поддающиеся влиянию. Пессимистические заголовки газет и журналов застряли в таком большом числе голов, что сформировалось негативно-парализующее убеждение
8296. Великобританія у 20-30-х роках 59 KB
  Тема: Великобританія у 20- 30-х роках Мета: Пояснити чому в останній третині ХІХ ст. Англія поступово втрачає провідне місце у світовій економіці, Описати що стало причиною занепаду і кризи ідеології і політики англійських лібералів.Навчити лі...
8297. Основы управления предприятием 559.5 KB
  Очевидно, что всякая революция имеет свои причины. В чем же причины непрерывного и часто кардинального изменения форм и методов управления в 20 веке. Ответ естественно искать в изменениях, происходящих в объекте управления системы хозяйствования. Под хозяйствованием мы понимаем гармоничное (согласованное) протекание процессов производства и потребления продукции и услуг...
8298. Преподавание и воспитание в высшей школе: Методология, цели и содержание, творчество 991 KB
  В книге содержатся сведения по различным сторонам деятельности преподавателя современного вуза. Особое внимание уделяется воспитательной работе, способствующей становлению личности студента как субъекта культуры, и творчеству преподавателя. Рассматр...
8299. Педагогика как наука о воспитании и развитии личности 929.5 KB
  Педагогика слово греческого происхождения (пейда - дитя, гогос - вести), буквально оно переводится как деторождение, детовождение или искусство воспитания. В Древней Греции педагогос называли раба, который занимался обучением и воспитанием..
8300. Інформатика. Курс лекцій 7.4 MB
  Навчальний предмет ІНФОРМАТИКА - це нормативна дисципліна з підготовки бакалаврів - майбутніх податківців за напрямом Економіка і підприємництво. Предмет дисципліни - засоби автоматизації інформаційних процесів обробки та використання економічної інформації...
8301. Конспект лекцій з патологічної фізіології 647.5 KB
  Предмет і завдання патологічної фізіології, та її місце в системі підготовки лікаря ветеринарної медицини. Методи патологічної фізіології. Історія розвитку патологічної фізіології та огляд теорій про походження хвороб...
8302. Активізація суспільних та політичних рухів на початку ХХ століття 52.5 KB
  Тема уроку. Активізація суспільних та політичних рухів на початку ХХ століття. Мета: пояснити причинно-наслідкові звязки та перебіг суспільно-політичний рухів на початку ХХ століття розвивати аналітичні вміння при вивченні всесвітньої історії...
8303. Основи охорони праці, техніка безпеки 878 KB
  Дисципліна Основи охорони праці займає особливе положення у формуванні майбутніх фахівців харчової промисловості. Її особливість полягає у нормативному характері знань та умінь фахівців, які спрямовані на збереження здоровя і працездатності людини у процесі трудової діяльності...