Неефективність при передачі пульсуючого трафіку
Мережі з комутацією каналів найбільше ефективно передають користувальницький трафік у тому випадку, коли швидкість його постійна протягом всього сеансу зв'язку і максимально відповідає фіксованій пропускній здатності фізичних ліній зв'язку мережі. Ефективність роботи мережі знижується, коли інформаційні потоки, що генеруються абонентами, набуваютьпульсуючийхарактер.
Набагато сильніше знижує ефективність мережі з комутацією каналів передача такназваного комп'ютерного трафіку, тобто трафіку, що генерується програмами, з якими працює користувач комп'ютера. Цей трафік практично завжди є пульсуючим. Наприклад, коли ви завантажуєте з Інтернету чергову сторінку, швидкість трафіку різко зростає, а після завантаження падає практично до нуля. Якщо для описаного сеансу доступу в Інтернет ви використовуєте мережу з комутацією каналів, то більшу частину часу складовий канал між вашим комп'ютером і веб-сервером простоюватиме. У той же час частина продуктивності мережі буде закріплена за вами і залишиться недоступною іншим користувачам мережі. Мережа в такі періоди схожа на порожній ескалатор метро, який рухається, але корисну роботу не виконує, тобто «перевозить повітря».
Для ефективної передачі нерівномірного комп'ютерного трафіку було спеціально розроблено техніку комутації пакетів.
Комутація пакетів
Мережі з комутацією пакетів, як і мережі з комутацією каналів, складаються з комутаторів, пов'язаних фізичними лініями зв'язку. Однак передача даних у цих мережах відбувається зовсім інакше. Образно кажучи, в порівнянні з мережею з комутацією каналів мережа з комутацією пакетів поводиться менш «відповідально». Наприклад, вона може прийняти дані дляпередачі, не дбаючи про резервування ліній зв'язку на шляху проходження цих даних і не гарантуючи необхідну пропускну спроможність. Мережа з комутацією пакетів не створює заздалегідь своїх абонентів окремих, виділених виключно їм каналів зв'язку. Дані можуть затримуватися і навіть губитися шляхом прямування. Як же при такому хаосі та невизначеності мережа з комутацією пакетів виконує свої функції передачі даних?
Найважливішим принципом функціонування мереж з комутацією пакетів є представлення інформації, що передається по мережі, у вигляді структурно відокремлених один від одного порцій даних, званих пакетами[14].
Залежно від конкретної реалізації технології комутації пакетів, пакети можуть мати фіксовану або змінну довжину, крім того, може змінюватися склад інформації, розміщеної в заголовках пакетів. Наприклад, у технології ATM пакети (називаються там осередками) мають фіксовану довжину, а технології Ethernet встановлені лише мінімально і максимально можливі розміри пакетів (кадрів).
Пакети надходять у мережубез попереднього резервування ліній зв'язкуіне з фіксованою заздалегідь заданою швидкістю, як це робиться в мережах з комутацією каналів, а в тому темпі, в якому їх генерує джерело. Передбачається, що мережа з комутацією пакетів, на відміну мережі з комутацією каналів, завжди готова прийняти пакет від кінцевого вузла.
Як і в мережах з комутацією каналів, в мережах з комутацією пакетів для кожного з потоків вручну або автоматично визначається маршрут, що фіксується в таблицях комутації, що зберігаються на комутаторах. Пакети, потрапляючи на комутатор, обробляються і надсилаються тим чи іншим маршрутом на підставі інформації, що міститься в їх заголовках, а також втаблиці комутації (рис. 3.6).
Мал. 3.5. Розбиття даних на пакети
Мал. З.6. Передача даних через мережу у вигляді пакетів
Процедура резервування пропускної спроможності може застосовуватися і пакетних мережах. Однак, основна ідея такого резервування принципово відрізняється від ідеї резервування пропускної спроможності у мережах з комутацією каналів. Різниця полягає в тому, що пропускна здатність каналу мережі з комутацією пакетів може динамічно перерозподілятися між інформаційними потоками в залежності від поточних потреб кожного потоку, чого не може забезпечити техніка комутації каналів. З деталями такого резервування ви ознайомитеся пізніше, у розділі 7.
Пакети, що належать як тому самому, так і різним інформаційним потокам, при переміщенні по мережі можуть «перемішуватися» між собою, утворювати черги і «гальмувати» один одного. На шляху пакетів можуть зустрітися лінії зв'язку, що мають різну пропускну здатність. Залежно від часу доби може змінюватися і ступінь завантаженості ліній зв'язку. У таких умовах не виключені ситуації, коли пакети, що належать одному й тому потоку, можуть переміщатися по мережі з різними швидкостями і навіть прийти до місця призначення не в тому порядку, в якому вони були відправлені.
Поділ даних на пакети дозволяє передавати нерівномірний комп'ютерний трафік ефективніше, ніж у мережах з комутацією каналів. Це тим, що пульсації трафіку від окремих комп'ютерів носять випадковий характері і розподіляються у часі отже їх піки найчастіше не збігаються. Тому коли лінія зв'язку передає трафік великої кількості кінцевих вузлів, то в сумарному потоці пульсації згладжуються і пропускна здатність лініївикористовується раціональніше, без тривалих простоїв. Цей ефект ілюструється рис. 3.7, на якому показані нерівномірні потоки пакетів, що надходять від кінцевих вузлів5,4і10у мережі, зображеній на рис. 3.6.
Мал. 3.7. Згладжування трафіку в мережах з комутацією пакетів
Припустимо, що ці потоки передаються в напрямку комутатора [16] від комутаторів у мережах з комутацією каналів полягає в тому, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів.
Комутатору потрібні буфери для узгодження швидкостей передачі даних в лініях зв'язку, підключених до його інтерфейсів. Дійсно, якщо швидкість надходження пакетів з однієї лінії зв'язку протягом деякого періоду перевищує пропускну спроможність тієї лінії зв'язку, в яку ці пакети повинні бути спрямовані, щоб уникнути втрат пакетів на цільовому інтерфейсі необхідно організувати вихідну чергу (рис. 3.8).
Буферизація необхідна пакетного комутатора також для <узгодження швидкості надходження пакетів зі швидкістю їх комутації. Якщо комутуючий блок не встигає обробляти пакети (аналізувати заголовки і перекидати пакети на потрібний інтерфейс), то на інтерфейсах комутатора виникаютьвхідні черги. Очевидно, що для зберігання вхідної черги обсяг буфера має перевищувати розмір одного пакета. Існують різні підходи до побудови комутувального блоку. Традиційний спосіб заснований на одному центральному процесорі, який обслуговує усі вхідні черги комутатора. Такий спосіб побудови може призводити до великих черг, оскільки продуктивність процесора розділяється між кількома чергами. Сучасні способи побудови комутувального блоку засновані на багатопроцесорному підході, коликожен інтерфейс має вбудований процесор для обробки пакетів. Крім того, існує центральний процесор, який координує роботу інтерфейсних процесорів. Використання інтерфейсних процесорів підвищує продуктивність комутатора та зменшує черги у вхідних інтерфейсах. Однак такі черги все одно можуть виникати, оскільки центральний процесор, як і раніше, залишається «вузьким місцем». Докладніше питання внутрішнього устрою комутаторів обговорюються у розділі 13.
Оскільки обсяг буферів в комутаторах обмежений, іноді відбувається втрата пакетів через переповнення буферів при тимчасовому перевантаженні частини мережі, коли періоди пульсації збігаються декількох інформаційних потоків. Для мереж з комутацією пакетів втрата пакетів є звичайним явищем, і компенсації таких втрат у цій мережевої технології передбачено ряд спеціальних механізмів, які ми розглянемо пізніше.
Мал. 3.8. Буфери та черги пакетів у комутаторі
Пакетний комутатор може працювати на підставі одного із трьох методів просування пакетів:
§ передача із встановленням логічного з'єднання;
§ передача із встановленням віртуального каналу.
Дейтаграмна передача
Дейтаграмний спосіб передачі даних заснований на тому, що всі пакети, що передаютьсяпросуваються(передаються від одного вузла мережі іншому)незалежноодин від одного на підставі одних і тих же правил .
Процедура обробки пакета визначається лише значеннями параметрів, які він несе в собі, та поточним станом мережі (наприклад, залежно від її навантаження пакет може стояти в черзі на обслуговування більший чи менший час). Однак жодна інформація про вже передані пакети мережею не зберігається і в ході обробкичергового пакета до уваги не береться. Тобто кожен окремий пакет розглядається мережею як абсолютно незалежна одиниця передачі -дейтаграма.
Мал. 3.9. Ілюстрація дейтаграмного принципу передачі пакетів
Дейтаграмний метод працює швидко, оскільки жодних попередніх дій перед відправкою даних проводити не потрібно. Однак за такого методу важко перевірити факт доставки пакета вузлу призначення. Цей метод не гарантує доставку пакета, він робить це в міру можливості - для опису такої властивості використовується термін доставки з максимальними зусиллями (best effort).