Основные проблемы построения сетей • Физическая передача сигналов по линиям связи • Топология физических связей • Адресация узлов сети • Коммутация и маршрутизация • Разделение линий связи
Коммутация n В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач. 1. Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать пути. 2. Определение маршрутов для потоков 3. Сообщение о найденных маршрутах узлам сети 4. Продвижение – распознавание потоков и локальная коммутация на каждом транзитном узле 5. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков. В сети с неполносвязной топологией обмен данными любой парой узлов идет через транзитные узлы.
Коммутация Коммутационная сеть d 1 а 7 2 Узел отправитель 3 b Маршрут 2 -1 -5 -4 c f 6 9 e d 5 а b 4 c Узел получатель 8 10 1, 5, 6, 8 – узлы коммутации a, b, c, d. e, f – порты (интерфейс) коммутаторов Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут. Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией.
Определение потоков данных Через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов. Через узел 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. n n Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде
Определение потоков данных n При коммутации в качестве обязательного признака выступает адрес назначения 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. n Адрес источника в совокупности с адресом назначения определяет информационный поток для этой пары узлов. n Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение. n Глобальный признак однозначно определяет поток в пределах всей сети (пара адресов конечных узлов для идентификации потока). n Локальный признак определяет поток в пределах транзитного узла (идентификатор интерфейса данного устройства на который поступили данные). n 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 маршрута Определить маршрут – это значит выбрать последовательность 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).
Критерии выбора маршрута количество промежуточных транзитных узлов; v v номинальная пропускная способность; v загруженность каналов связи; v задержки, вносимые каналами; v надежность каналов и транзитных узлов.
Оповещение сети о выбранном маршруте. Сообщение о маршруте несет каждому транзитному устройству информацию: n «если придут данные, относящиеся к потоку n, то нужно передать их на интерфейс F» . n Каждое сообщение о маршруте создает новую запись в таблице коммутации (маршрутизации). Адрес сети назначения Адрес выходного интерфейса 129. 13. 0. 0 198. 17. 23. 14
Продвижение данных Для каждой пары взаимодействующих узлов операция передачи данных может 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.
Продвижение – распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле § Коммутатором (switch) в широком смысле называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. n Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации.
Коммутатор Интерфейсы коммутатора
Алгоритм работы коммутатора Таблица коммутации Выделить признак потока (N) Признак потока Р М Р = N ? Определить соответствующий интерфейс C . . . Да B K Нет A N Сравнить с признаком Р в очередной строке таблицы А L N Интерфейс . . . Коммутатор В Передать данные на интерфейс В Сетевые интерфейсы А В С Потоки данных с признаками M, L, N, K …
Мультиплексирование и демультиплексирование Коммутационная сеть 2 7 d 1 а 1, 5, 6, 8 – узлы коммутации a, b, c, d. e, f – порты (интерфейс) коммутаторов 3 b Маршрут c f 6 9 e d 5 c а b 4 На коммутатор 5 одновременно поступают 2 потока: от узла 10 на интерфейс с и узла 4 на интерфейс b 8 10 Для обеспечения полной информационной связности большинство линий связи в этой сети должны разделяться между потоками.
n Мультиплексирование – образование из нескольких отдельных информационных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи. n 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). n 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. n Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.
n Демультиплексирование – разделение суммарного Демультиплексирование агрегированного потока на несколько составляющих его потоков. Демультиплексирование выполняет узел 1 (см. слайд 13). n Мультиплексирование выполняют коммутаторы. и демультиплексирование
Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации мультиплексирование Инт. 1 Инт. 2 Коммутатор 1 демультиплексирование Инт. 3 Инт. 4 Инт. 5 Физический канал Коммутатор 2 Коммутатор 3
Мультиплексор и Демультиплексор Мультиплексор - частные случаи коммутаторов
Разделение физической среды Коммутационная сеть 2 7 d 1 а Разделяемый канал 3 b Маршрут c f 6 9 e d 5 а b 4 c 8 10 1, 5, 6, 8 – узлы коммутации a, b, c, d. e, f – порты (интерфейс) коммутаторов Для обеспечения полной информационной связности большинство линий связи в этой сети должны разделяться между потоками.
Разделяемая среда n Линия связи может разделяться не только между потоками (мультиплексирование) но и между интерфейсами. n 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.
а) К 1 Физические каналы связи Активный Пассивный интерфейс Активный интерфейс б) К 2 Активный интерфейс К 1 К 2 Физический канал связи К 1 Физический канал связи Активный интерфейс К 2 Активный интерфейс в) К 3 Совместное использование канала связи интерфейсами устройств
n На рис. а) коммутаторы К 1 и К 2 связаны двумя однонаправленными физическими каналами. В этом случае передающий интерфейс является активным и физическая среда находится под его управлением. Проблема разделения канала между интерфейсами здесь отсутствует.
n На рис. б) коммутаторы К 1 и К 2 связаны полудуплексным каналом. В этом случае необходим механизм разделения доступа интерфейсов К 1 и К 2 к такому каналу. n На рис. в) к каналу подключено более двух интерфейсов, образуя общую шину. Есть проблема определения приоритета доступа к каналу (разделяемый канал) интерфейсов К 1, К 2 и К 3. Разделяемая среда
Различие между механизмами мультиплексирования и разделения среды Различие в том, как контролируется и используется линия связи q 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). q При разделении среды линия связи находится под управлением нескольких устройств, которым приходится решать, каким образом совместно использовать линию связи. q Сегодня механизм разделения среды используется только в беспроводных сетях, где среда – радиоэфир соединяет все узлы, находящиеся в зоне распространения сигнала.
Коммутация каналов Конечные узлы Составной канал с мультиплексированием 1 6 Среда, разделяемая между коммутаторами 14 Cоставной канал Из 2 -х элементарных
Передача данных в коммутируемом канале Одной из особенностей сетей с коммутацией 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.
Составной канал 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. Линия связи 6 эл. каналов S 4 Абонент А S 3 Линия связи 4 эл. канала Линия связи 4 эл. каналов S 2 S 1 Cоставной канал из 2 -х элементарных Линия связи 2 эл. канала Si - коммутатор Абонент В
Свойства составного канала q на период сеанса связи двух абонентов временно создается составной канал; q составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных; q на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов; q 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; q после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал , объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.
Процедура установления соединения Обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения, цель процедуры, определить – имеется ли требуемое число элементарных каналов и не занят ли вызываемый абонент. q Инициатор связи посылает в сеть запрос – сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента. q 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. q 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 q По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для передачи которого уже не требуется адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков – номеров элементарных каналов q Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения
Передача данных в сетях с коммутацией пакетов - Все передаваемые сообщения в исходном узле разбиваются на небольшие 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).
• Данные нарезаются порциями – пакетами , каждый из которых обрабатывается коммутаторами независимо • Каждый пакет содержит адрес назначения и адрес отправителя • Не требуется предварительной процедуры установления соединения
Буферизация пакетов Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с 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).
Сравнение методов коммутации каналов и пакетов Коммутация каналов Коммутация пакетов Гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер Сеть может отказать абоненту в установлении соединения Сеть всегда готова принять данные от абонента Трафик реального времени передается без задержек Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика Адрес используется только на этапе установления соединения Адрес передается с каждым пакетом
Области применимости методов коммутации Коммутация каналов применяется для передачи трафика с постоянной 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.
Оценка задержки передачи в сетях с коммутацией каналов • Объем 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 – 200 х103 х8 (бит)/2 х106 (бит/с) =0, 8(с) Время передачи = 0, 025 с + 0, 8 с = 0, 825 (с)
Оценка задержки передачи в сетях с коммутацией пакетов • • • Объем тестового сообщения - 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, 20 с. Каждый из 10 коммутаторов вносит 0, 240 с. 1)задержку коммутации 0, 02, 2)задержку буферизации - 1 Кбайт/2 Mбита/c =0, 004 с Дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составила 0, 520 с.
Методы продвижения пакетов в сетях с коммутацией пакетов 1. Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга. n n 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. n
Таблица маршрутизации R 1 Узел N 2, А 2 Адрес Мар-тор Узел N 4, А 4 N 2 R 2 N 2 R 3 N 1, A 1 N 2, A 2 R 7 N 3, A 3 N 2, A 2 R 1 3 , A , N 2 R 8 A 2 R 9 Узел N 5, А 5 N 3 R 5 N 3 , A 3 N 2 , A 2 Узел N 1, А 1 A 1 N 3 N 1, A 1 N 2, A 2 , N 1 R 4 A 2 2 R 3 N 1, A 1 N 2, A 2 , N 2 , A R 2 N 2 , N 1 A 1 2 3 , A … N 2 N 1 , A N 3 1 N , A 2 3 N , A 2 2, A 2 N 4 R 2 Узел N 3, А 3 R 6 Узел N 5, А 5 Дейтаграммный принцип передачи пакетов
Дейтаграммный способ передачи данных q Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе и текущим состоянием сети. q Выбор интерфейса на который необходимо передать поступивший пакет в коммутатор, происходит на основании адреса назначения пакета. q Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации (маршрутизации), содержащей информацию о следующем по маршруту (транзитном или конечном) узле. Адрес сети назначения Адрес выходного интерфейса Адрес следующего маршрутизатора 129. 13. 0. 0 198. 17. 23. 14 198. 17. 5. 3
Дейтаграммный способ передачи данных q Дейтаграммный метод работает быстро, т. к. никакие действия перед отправкой пакета не производятся. q Однако трудно проверить факт доставки пакета узлу назначения. q Метод не гарантирует доставку пакета узлу назначения. Доставка происходит по возможности (с максимальными усилиями – best effort)
Передача с установлением логического соединения q Процедура согласования двумя конечными узлами сети параметров обмена пакетами, называется установлением логического соединения. q Пакеты данных обрабатываются коммутаторами так же, как и при дейтаграммной передаче. q Пакеты, относящиеся к одному и тому же логическому соединению, в некоторых случаях (при отказе линии) могут доставляться адресату по разным маршрутам. q 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» .
Установление соединений в сетях с коммутацией пакетов Узел 1 Узел 2 Данные Запрос установления соединения Подтверждение установления соединения Квитанции подтверждения Данные Запрос разрыва соединения Подтверждение разрыва соединения Передача без установления соединения (датаграммный метод, connectionless) Передача с установлением соединения (connectionoriented)
Передача данных с установлением соединения q Поддерживаются два типа кадра – информационный и служебный. q До фиксации установления соединения и передачи информационных кадров отправитель и получатель договариваются о параметрах процедуры обмена. q 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.
Методы подтверждения корректности передачи кадров 1. С простоем источника Пакеты (источник) 1 К Квитанции (приёмник) К 1 2 t t
Установление виртуального канала q Учитывает существование в сети потоков данных. Каждый пакет потока помечается меткой потока. q 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. q 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 R 7 Метка канала Адрес следующего коммутатора VC 1 R 4 VC 3 R 4
Узел N 2, А 2 Узел N 4, А 4 R 2 R 4 R 3 R 1 vc 1 Узел N 1, А 1 R 5 R 7 R 9 R 8 Узел N 5, А 5 vc 3 R 6 Узел N 3, А 3 Узел N 5, А 5 Принцип работы виртуального канала
Достоинства виртуальных каналов q. Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы намного короче, а следовательно, анализ такой таблицы занимает у коммутатора меньше времени: Ø содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения (как в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения); Ø метка виртуального канала короче адреса конечного узла в связи с чем заголовок пакета в сетях с виртуальным каналом более компактный.
Интернет и способы продвижения данных q В сети Интернет задействованы разные способы продвижения данных: Ø дейтаграммный протокол IP используется для передачи данных между отдельными сетями, составляющие Интернет; Ø обеспечением надежной доставки данных между конечными узлами этой сети занимается протокол TCP, устанавливающий логическое соединение, без фиксации маршрута; Ø в состав сети Интернет входят сети АТМ и Frame Relay, поддерживающие виртуальные каналы.
Методы вычисления контрольной суммы кадра информации 1. Контроль по паритету - применяется для байтов 8 7 6 5 4 3 2 1 1 + 0 + 1 + 0 = 1 (по нечётности) 0 (по чётности) Обнаруживает только одиночные ошибки Где: + - сумма по mod 2
2. Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету блоков символов Обнаруживает большинство двойных ошибок P Биты паритета столбцов (четность) B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 (нечётность) B 6 0 Биты паритета строк B 7 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1
3. Циклические коды контроля двоичных кадров (CRC, Cyclic Redundancy Check) 1 0 0 1 1 0 Биты кадра 2 или 4 байта контрольного циклического кода (CRC)
1. Код CRC равен остатку от деления кадра, рассматриваемого как двоичное число, на заданное двоичное число (например, на 216+215+22+1 (11000000101)) 2. При получении кадра с кодом CRC общая последовательность бит (данные + CRC) снова делится на общий делитель. 3. 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
END 4
Скачать презентацию Основные проблемы построения сетей Физическая передача сигналов
4 ЛК Проблемы 23.09.12.ppt