Основные проблемы построения сетей

связей
Адресация узлов сети
Коммутация и маршрутизация
Разделение линий связи

в виде нескольких взаимосвязанных частных задач.
Определение информационных потоков,

для которых требуется прокладывать пути.
Определение маршрутов для потоков
Сообщение о найденных маршрутах узлам сети
Продвижение – распознавание потоков и локальная коммутация на каждом транзитном узле
Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
В сети с неполносвязной топологией обмен данными любой парой узлов идет через транзитные узлы.

Коммутация

узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией.

Узел отправитель

Узел получатель

5 (слайд 3) проходят все маршруты, по которым узлы 3,4

и 10 обмениваются данными с другими узлами. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечить передачу каждого из них именно на тот свой интерфейс, который ведет к нужному узлу.
Информационным потоком или потоком данных (data flow, data stream) называют передаваемые по сети данные, объединенных набором общих признаков (например метка потока, адрес источника, адрес назначения, идентификатор приложений), который выделяет его из общего сетевого трафика. Для каждого из потоков может быть проложен свой особый маршрут.
Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде различных информационных единиц данных - пакетов, кадров, ячеек.

Определение потоков данных

данных. На основании этого признака все данные, поступающие в транзитный

узел, разделяются на потоки, и каждый поток передается на тот интерфейс, через который пролегает маршрут к соответствующему узлу назначения.
Адрес источника в совокупности с адресом назначения определяет информационный поток для этой пары узлов.
Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение.
Глобальный признак однозначно определяет поток в пределах всей сети (пара адресов конечных узлов для идентификации потока).
Локальный признак определяет поток в пределах транзитного узла (идентификатор интерфейса данного устройства на который поступили данные).
Метка потока – особый тип признака, представляющий собой некоторое число, которое несут все данные потока. Глобальная метка потока не меняет своего значения на всем протяжении его пути следования. В некоторых технологиях используются локальные метки.

Определение потоков данных

транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные,

чтобы доставить из адресату.
Чаще всего выбор останавливается на одном оптимальном (рациональном) по некоторому критерию (время, надежность доставки, загруженность канала) маршруте.
Задачи поиска и выбора маршрута можно решать «вручную» или автоматически.
При автоматическом режиме сетевые устройства оснащаются специальными программами, которые организуют взаимный обмен информацией о конфигурации связей каждого отдельного узла. На основании собранных данных программными методами воспроизводится топология сети и определяются рациональные маршруты.
После того как маршрут определен, его надо проложить в сети, т.е. настроить транзитные узлы так, чтобы они передавали данные в соответствии с выбранным маршрутом. Наиболее гибким решением является создание таблиц коммутации (маршрутизации).

загруженность каналов связи;
задержки, вносимые каналами;
надежность каналов

и транзитных узлов.
 

Критерии выбора маршрута

каждому транзитному устройству информацию:
«если придут данные, относящиеся к потоку

n, то нужно передать их на интерфейс F».
Каждое сообщение о маршруте создает новую запись в таблице коммутации (маршрутизации).

быть реализована несколькими локальными операциями коммутации: каждый отдельный транзитный узел

должен выполнить передачу данных с одного своего интерфейса (порта) на другой – выполнить коммутацию интерфейсов.
Устройство, функциональным назначением которого является коммутация, называется коммутатором.
Все транзитные узлы представляют собой коммутаторы.

Коммутатором (switch) в широком смысле называется устройство любого типа, способное

выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой.
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации.

очередной строке таблицы
Р = N ?
Определить соответствующий интерфейс
Передать данные на

интерфейс В

Нет

Да

N

Коммутатор

А

В

С

Потоки данных с признаками M, L, N, K …

В

Таблица коммутации

Сетевые интерфейсы

полной информационной связности большинство линий связи в этой сети должны

разделяться между потоками.

На коммутатор 5 одновременно поступают 2 потока: от узла 10 на интерфейс с и узла 4 на интерфейс b

Мультиплексирование и демультиплексирование

агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Если одновременно с узла 4 на узел 1 и с узла 10 на узел 1 через узел 5 поступают потоки данных, то узел 5 должен обеспечить мультиплексирование этих потоков (см. слайд 13).
Одним их способов мультиплексирования потоков является разделение по времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает линию связи в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные.
Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.

его потоков. Демультиплексирование выполняет узел 1 (см. слайд 13).
Мультиплексирование

и демультиплексирование выполняют коммутаторы.

- частные случаи коммутаторов

полной информационной связности большинство линий связи в этой сети должны

разделяться между потоками.

Разделение физической среды

Разделяемый канал

(мультиплексирование) но и между интерфейсами.
Разделяемая среда (shared media) –

физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключено несколько узлов сети. Причем в каждый момент времени только один из узлов получает доступ к разделяемой среде и использует ее для передачи данных другому узлу, подключенному к этой же среде.

связи
Активный интерфейс
Совместное использование канала связи интерфейсами устройств
К1
К2
К1
К2
К1
К2
К3
Активный интерфейс
Пассивный интерфейс
Активный интерфейс
Активный

интерфейс

однонаправленными физическими каналами. В этом случае передающий интерфейс является активным

и физическая среда находится под его управлением. Проблема разделения канала между интерфейсами здесь отсутствует.

каналом. В этом случае необходим механизм разделения доступа интерфейсов К1

и К2 к такому каналу.
На рис. в) к каналу подключено более двух интерфейсов, образуя общую шину. Есть проблема определения приоритета доступа к каналу (разделяемый канал) интерфейсов К1, К2 и К3.

Разделяемая среда

контролируется и используется линия связи
При мультиплексировании дуплексная линия связи

в каждом направлении находится под полным управлением одного коммутатора и по ней передается несколько потоков (коммутатор 1 управляет процессом мультиплексирования потоков в линии связи 1 – 5 в направлении от 1-го к 5-му, а коммутатор 5 контролирует аналогичный процесс в направлении от 5-го к 1-му (см. слайды 13, 18).
При разделении среды линия связи находится под управлением нескольких устройств, которым приходится решать, каким образом совместно использовать линию связи.
Сегодня механизм разделения среды используется только в беспроводных сетях, где среда – радиоэфир соединяет все узлы, находящиеся в зоне распространения сигнала.

2-х элементарных

каналов является понятие элементарного канала.
Элементарный канал – это базовая техническая

характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное значение пропускной способности в пределах данного типа сетей. В традиционной телефонной сети значение элементарного канала является скорость 64 Кбит/сек.
Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов (2, 24, 30… 480, 1920).
Связь, построенная путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называется составным каналом.

4 эл. канала
Линия связи
4 эл. каналов
S4
Линия связи 6 эл.

каналов

Абонент А

Абонент В

Для соединения абонентов А и В создан составной канал «толщиной» в 2 элементарных канала. Абоненты, интенсивно обменивающиеся данными, могут зарезервировать за собой большее (но одинаковое) количество элементарных каналов.

Si - коммутатор

временно создается составной канал;
составной канал на всем своем протяжении

состоит из одинакового количества элементарных;
на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов;
данные, поступающие в составной канал, гарантированно доставляются абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью, вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;
после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал , объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

соединения, цель процедуры, определить – имеется ли требуемое число элементарных

каналов и не занят ли вызываемый абонент.
Инициатор связи посылает в сеть запрос – сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента.
Запрос перемещается по маршруту, определенному для этой пары абонентов. При этом используются таблицы маршрутизации (коммутации), ставящие в соответствие глобальному признаку потока (адресу вызываемого абонента) идентификатор выходного интерфейса коммутатора.
Если запрос проходит между абонентами без препятствий, происходит фиксация составного канала – во всех локальных таблицах маршрутизации (коммутации) создаются записи, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока - номерами локальных каналов.

Процедура установления соединения

передачи которого уже не требуется адреса вызываемого абонента. Коммутация данных

в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков – номеров элементарных каналов
Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения

Процедура установления соединения

части (пакеты, кадры, ячейки и т.п.)
Каждый пакет снабжается заголовком

в котором указывается адрес узла назначения и другая вспомогательная информация (длина поля данных и др.).
В концевике пакета помещается контрольная сумма, позволяющая принимать решение о правильности передачи информации через сеть.
В зависимости от технологии пакеты могут иметь фиксированную длину (технология АТМ) или переменную длину (в технологии Еthernet установлены лишь минимально и максимально возможные размеры пакетов).

Передача данных в сетях с коммутацией пакетов

обрабатывается коммутаторами независимо
Каждый пакет содержит адрес назначения и адрес

отправителя
Не требуется предварительной процедуры установления соединения

коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную

память для временного хранения пакетов.
Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его интерфейсам (выходные очереди).
Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации (входные очереди).

скоростью и чувствительного к задержкам. Пример: речь
Недостатки - в

случае временного не использования канала абонентами его пропускную способность нельзя отдать другим абонентам – отсутствует адресная информация в потоке данных

Коммутация пакетов применяется
для передачи пульсирующего трафика с переменной скоростью и не чувствительного к задержкам. Пример: передача текстовых документов, просмотр Web-страниц.
Недостатки - нет гарантий пропускной способности, переменные задержки – сложно передавать потоковый трафик реального времени – речь, видео.

тестового сообщения - 200 Кбайт.
Расстояние - 5000 км
Скорость распространения –

2/3 скорости света ( 200000 км/c)
Пропускная способность - 2 Мбит/c.


Время передачи = время распространения сигнала + время передачи сообщения

время распространения сигнала – 5000 (км)/200000(км/с)=0,025(с)
время передачи сообщения – 200х103х8 (бит)/2х106 (бит/с) =0,8(с)


Время передачи = 0,025с + 0,8с = 0,825 (с)

- 200 Кбайт.
Расстояние - 5000 км
Скорость распространения – 2/3 скорости

света ( 200000 км/c)
Пропускная способность - 2 Мбит/c
10 промежуточных коммутаторов, время коммутации 0,020 с
Исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов
Интервал между отправкой пакетов – 0,001 мс
Заголовки пакетов, по отношению к общему объему сообщения 10 %.
Время передачи = время распространения + время передачи сообщения + задержки на передачу заголовков и задержки в промежуточных узлах
Дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10 % от времени передачи целого сообщения, то есть 0,08 с.
Дополнительные потери за счет интервалов составят 0,20с.
Каждый из 10 коммутаторов вносит 0,240 с.
1)задержку коммутации 0,02,
2)задержку буферизации - 1Кбайт/2Mбита/c =0,004с

Дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составила 0,520 с.

все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга.
2. Передача

с установлением логического соединения. Каждому соединению присваивается идентификатор и определяются значения параметров, определяющие процедуру обработки пакетов в рамках данного соединения. Фиксированный маршрут не является обязательным параметром соединения.
3. Передача с установлением виртуальных каналов (virtual channel) учитывает существование в сети потоков данных и прокладывает для всех пакетов потока единый маршрут.

Методы продвижения пакетов в сетях с коммутацией пакетов

N5,А5
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R8
R7
R9

несет в себе и текущим состоянием сети.
Выбор интерфейса на

который необходимо передать поступивший пакет в коммутатор, происходит на основании адреса назначения пакета.
Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации (маршрутизации), содержащей информацию о следующем по маршруту (транзитном или конечном) узле.

Дейтаграммный способ передачи данных

пакета не производятся.
Однако трудно проверить факт доставки пакета узлу

назначения.
Метод не гарантирует доставку пакета узлу назначения. Доставка происходит по возможности (с максимальными усилиями – best effort)

Дейтаграммный способ передачи данных

называется установлением логического соединения.
Пакеты данных обрабатываются коммутаторами так же,

как и при дейтаграммной передаче.
Пакеты, относящиеся к одному и тому же логическому соединению, в некоторых случаях (при отказе линии) могут доставляться адресату по разным маршрутам.
За счет установления логического соединения обеспечивается повышенная надежность за счет нумерации пакетов, отбрасывания дубликатов, упорядочивания поступивших пакетов, повторной передачи потерянных пакетов, определения ширины «скользящего окна».

Передача с установлением логического соединения

2
Узел 1
Передача без установления соединения (датаграммный метод, connectionless)
Передача с установлением

соединения (connection-oriented)

Установление соединений в сетях с коммутацией пакетов

До фиксации установления соединения и передачи информационных кадров отправитель и

получатель договариваются о параметрах процедуры обмена.
Решение о продвижении данных принимается после передачи узлу-получателю служебного кадра запроса на установление соединения, ответа узла-приемника на согласие установления соединения с некоторыми параметрами и отправкой узлом-инициатором третьего служебного кадра с согласием на предложенные параметры.

Передача данных с установлением соединения

помечается меткой потока.
Прокладка виртуального канала начинается с отправки

из узла-источника запроса на установление соединения. В запросе указывается адрес назначения и метка потока, для которого прокладывается этот путь.
Запрос, проходя по сети, формирует новую запись в каждом из коммутаторов, по пути от отправителя к получателю. Запись содержит только номер виртуального канала и говорит о том, каким образом коммутатор должен обслуживать пакет.
Таблица коммутации коммутатора R7

Установление виртуального канала

намного короче, а следовательно, анализ такой таблицы занимает у коммутатора

меньше времени:
содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения (как в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения);
метка виртуального канала короче адреса конечного узла в связи с чем заголовок пакета в сетях с виртуальным каналом более компактный.

способы продвижения данных:
дейтаграммный протокол IP используется для передачи данных

между отдельными сетями, составляющие Интернет;
обеспечением надежной доставки данных между конечными узлами этой сети занимается протокол TCP, устанавливающий логическое соединение, без фиксации маршрута;
в состав сети Интернет входят сети АТМ и Frame Relay, поддерживающие виртуальные каналы.

применяется для байтов
Обнаруживает только одиночные ошибки
Где:
+ - сумма по

mod 2

паритета строк
(нечётность)
Биты паритета столбцов (четность)
Обнаруживает большинство двойных ошибок

кадра
2 или 4 байта контрольного циклического кода (CRC)

число, на заданное двоичное число (например, на 216+215+22+1

(11000000000000101))
При получении кадра с кодом CRC общая последовательность бит (данные + CRC) снова делится на общий делитель.
Если ошибок нет, то результат деления должен быть равен 0.

При делителе длинной R бит обнаруживаются:
все одиночные ошибки
все двойные ошибки
все ошибки в нечетном количестве бит
все ошибочные последовательности длиной < R