Коммутация пакетов

Содержание
Введение
1. Цели проекта, постановка задачи
1.1. Цели проекта
1.2. Постановка задачи
2. Обзор существующих способов передачи данных
2.1. Коммутация каналов
2.2. Коммутация пакетов
2.3. Коммутация сообщений
2.4. Дейтаграммный способ передачи
2.5. Идеальный способ передачи данных
3. Описание проекта и создание руководства по его использованию
3.1. Применение коммутирующей аппаратуры и специального программного обеспечения в локальных вычислительных сетях
3.2. Организация виртуальных каналов, принцип работы и основные возможности виртуальных каналов применительно к глобальным и локальным сетям
4. Описание процесса
4.1. Алгоритм работы коммутаторов сети
Заключение
Источники

Коммутация пакетов

Способ коммутации пакетов также использует канальную передачу данных, но исправляет некоторые отрицательные стороны коммутации каналов. Принцип данного метода заключается в том, что данные передаются пакетами, освобождая на время простоя промежуточные коммутаторы сети и линии связи. Связь между абонентами устанавливается только на время передачи данных.
Для организации соединения абоненту А не обязательно ждать ответа от абонента B в результате уменьшается время соединения. Достаточно дозвониться до ближайшего коммутатора и отправить ему пакет данных с указанием адресов получателя и отправителя. Коммутатор сохраняет пакет во внутренней памяти и определяет степень занятости линии передачи до следующего коммутатора или до абонента получателя пакета. Если линия свободна, коммутатор передаетпакет далее, если занята — ставит пакет в очередь на передачу и продолжает прослушивать линию. Данная особенность сохраняет пропускную способность сети (пропускная способность сети по сравнению с методом коммутации каналов может возрасти на порядки) и обеспечивает доступность абонентов между сеансами передачи данных (пакетов). Данные так же передаются без искажения, что не требует их значительной обработки перед отправкой и после приема.
К недостаткам метода можно отнести необходимость иметь на коммутаторах достаточный объем свободного места на устройствах хранения информации для промежуточного хранения пакетов. Эта необходимость возникает из-за того, что коммутатор не начинает передачу данных до окончания ее приема от предыдущего коммутатора или абонента и проверки ее целостности. Кроме того общее время передачи данных от абонента А до абонента В может значительно увеличиться, это так же связано с необходимостью последовательной перезаписи информации на носитель на каждом коммутаторе и с загруженностью отдельных линий связи. В сетях работающих в режиме реального времени — передача видео- и аудио-сигнала это может привести к замиранию сигнала, а иногда к обрыву соединения.
Для реализации данного метода понадобятся более сложные устройства, чем описанные в п. 2.1. Для обеспечения работы сети понадобятся коммутаторы способные хранить полученную информацию, проверять ее и принимать решение о дальнейшей отправке пакетов. Такие устройства создаются на основе ЭВМ с применением программ кэширующих прокси-серверов. Производительность такого узла зависит от качества линии связи и мощности применяемой ЭВМ, а так же от настройки программ кэширования информации. Для коммутации каналов могут быть применены маршрутизаторы с заранее запрограммированной картой каналов, что может несколько повысить скорость передачи пакетов.
4.3. Коммутация сообщений
Еще один метод, основанный на канальной передаче данных — коммутация сообщений. Особенностью данного метода является то, что исходная информация перед отправкой «нарезается» на отдельные сообщения и затем отправляется как обособленные пакеты. К каждому сообщению прикрепляется служебная информация, включающая идентификатор пакета, номер сообщения и контрольную информацию.
Достоинства метода в том, что для хранения информации на промежуточных коммутаторах требуется меньший объем памяти, а сама передача информации идет несколько быстрее, чем при коммутации пакетов. Это связано с тем, что меньше времени требуется на передачу отдельных сообщений по каналам связи, их прием и контроль целостности на промежуточных коммутационных узлах.
Недостатком данного метода можно считать необходимость предварительной значительной обработки информации перед пересылкой через каналы связи — «нарезание» информации на отдельные сообщения и ее обратное преобразование на конечном узле средствами самого абонента. Кроме того, иногда заголовок такого сообщения может оказаться в несколько раз больше содержащейся в нем информации, что приводит к нерациональному использованию пропускной способности сети. Хотя процесс передачи идет несколько быстрее, возможны значительные задержки передачи из-за занятости линий передачи или технических проблем на промежуточных узлах.
Данный метод широко применяется в локальных вычислительных сетях, построенных на протоколе ТСР, типа Ethernet.
Из-за достаточно маленького объема передаваемых сообщений, с задачей коммутаторов могут справиться обычные маршрутизаторы, обладающие некоторым объемом свободной внутренней памяти. В малых локальных сетях вместо маршрутизаторов могут быть установлены концентраторы.
4.4. Дейтаграммный способ передачи
Дейтаграммный способ передачи отличается от рассмотренных выше, прежде всего тем, что он не организует канал передачи, как выше рассмотренные способы. При передаче сообщения одного пакета данных равномерно распределяется по всем линиям передачи данных в соответствии с их загруженностью. Это позволяет значительно повысить пропускную способность сети в целом и скорость передачи данных. Дейтаграмма — это сообщение, к которому прикреплена информация об отправителе и получателе сообщения.
Достоинствами данного способа является максимальная скорость передачи информации с минимальной нагрузкой на сеть.
Одним из самых больших недостатков способа является как таковое отсутствие канала передачи. Из-за того, что дейтаграммы распределяются по свободным линиям связи, получатель пакета может сначала получить конец пакета, а через какое-то время начало, это связано с неравномерностью загрузки отдельных линий связи между разными коммутаторами сети.
В связи с этим возникает необходимость предварительной буферизации получаемых данных на стороне принимающего абонента, последующей значительной обработке принятых дейтаграмм и сборке исходного пакета данных.
Данный способ широко применяется в глобальных сетях типа MAN и WAN, что позволяет достаточно быстро обрабатывать огромное количество запросов от абонентов и одновременно сохранять высокую пропускную способность сети в целом.
Коммутирующее оборудование в таких сетях собирается на достаточно мощных ЭВМ, способных практически мгновенно анализировать полученную информацию и принимать решение о дальнейшей пересылке информации, а линии связи требуют применения современных и инновационных технологий.
4.5. Возможные варианты решения задачи.
В качестве возможных вариантов решения задачи передачи информации (пакетов) можно предложить несколько вариантов.
Вариант 1.
Поиск и разработка новейших технологий, позволяющих повысить скорость передачи пакетов по линиям связи. Например применение оптоволоконного кабеля нового поколения или криогенных линий связи, использующих эффект сверхпроводимости материалов. Данный вариант, возможно, позволит повысить скорость передачи пакетов по линиям связи, но из курса физики известно, что электрический и световой сигнал не может передаваться со скоростью превышающей скорость света. Кроме того, необходима будет разработка и внедрение новейшего программного обеспечения позволяющего увеличить скорость обработки пакетов, а также замена всего парка техники провайдеров Интернета на более мощную с точки зрения производительности. В противном случае необходимый эффект не будет достигнут.
Вариант 2.
Перевод основных магистральных линий на радиодиапазон высокой частоты. В настоящее время применяются каналы относительно низкой частоты, что не позволяет передавать огромные объемы информации с достаточно высокой скоростью, компенсируя время на ожидание сбор и обработку отдельных дейтаграмм. Повышение частоты несущего канала в два раза может повысить скорость передачи данных от 25% до 50%. Реализация метода опять же упирается во внедрение инновационных технологий и возможно масштабную замену аппаратуры каналов связи по всему миру. Кроме того, могут возникнуть проблемы другого плана – взаимные помехи и гашение сигналов других каналов связи использующих более низкие частоты.
Вариант 3.
Применение интеллектуального программного обеспечения (ПО). Современные каналы связи вполне способны обеспечить высокую скорость передачи информации, достаточную, скажем, для передачи высококачественного телевизионного сигнала за счет снижения пропускной способности линий связи и сети в целом. Интеллектуальное ПО, анализируя передаваемые данные, скажем, по принципу потоковые – не потоковые, или по интенсивности передачи данных, сможет выбрать наиболее подходящий метод передачи данных вплоть до выделения отдельного канала по принципу коммутации каналов, описанному в п. 4.1. данного реферата. Однако, метод не так хорош как кажется, побочным эффектом данного метода может быть «забитие» линий передачи выделенными каналами, что сведет к нулю общую пропускную способность сети, так же данный метод ставит под угрозу конфиденциальность данных. Нет ни какой гарантии, что на одном из узловых коммутационных центров в программу анализа трафика не будет вставлен код копирования уже раскодированной и, что не мало важно, уже собранной воедино информации.
Вариант 4.
Данный вариант является логическим продолжением третьего варианта. Суть метода в том, что, скажем, степень конфиденциальности сеанса связи выбирает сам пользователь. В зависимости от установленной степени конфиденциальности ПО коммутационных центров принимает решение об эффективности применения того или иного метода передачи информации. Благодаря принудительному заданию степени конфиденциальности информации, возможность копирования информации на коммутационных центрах можно свести к минимуму (идеальный случай – всего на двух узлах – по одному со стороны источника и клиента).
Вопрос внедрения утилит принудительной установки степени конфиденциальности сеанса связи в операционные системы можно обойти установкой конфиденциальности по умолчанию, скажем, в значение «высокая».
В данном случае если конфиденциальность сеанса связи не установлена или установлена в значение «высокая», то он обрабатывается по обычному алгоритму с разбиением на дейтаграммы (метод описан в п. 4.4 данного реферата). Если, скажем, конфиденциальность установлена в значение «низкая» то возможно выделение канала для передачи (методы описанные в п.п. 4.1. – 4.3. данного реферата).
Не смотря на значительное повышение степени конфиденциальности данных, остается проблема снижения пропускной способности сети, за счет организации выделенных каналов.
Вариант 5.
Вариант так же предусматривает применение интеллектуального ПО в коммутационных центрах. Однако, ПО настроено не на анализ передаваемых данных, а на поиск кратчайшего пути доставки информации и автоматический обход аварийных центров, потерявших возможность обеспечить передачу данных.
Данный метод не предусматривает использование таких методов как коммутация каналов и коммутация пакетов, а оперирует исключительно сообщениями и дейтаграммами, что не сильно снижает конфиденциальность передаваемых данных, а также не сильно загружает сеть за счет совместного использования линий связи несколькими каналами связи одновременно.
5. Выбор и обоснование принимаемого решения с учетом конкретного критерия
В современном мире все большее значение приобретают вычислительные сети различного уровня:
- локальные вычислительные сети предприятия — обработка внутренних документов и данных;
- сети районного и городского масштаба активно применяются для обмена данными между поставщиками и покупателями внутри отдельно взятого города;
- глобальные сети просто необходимы для обмена информацией с удаленными контрагентами и офисами, получения качественного образования.
Множество компаний используют глобальные сети для доступа своих сотрудников к корпоративной информации. В последнее время сетевые технологии стали применяться в телефонии радио- и теле- вещании. Все чаще встает вопрос о скорости и качестве передачи информации. В отдельных случаях эти параметры могут стать критичными.
Общие требования к способу передачи данных можно сформулировать следующим образом — высокая скорость дозвона и передачи информации, простота реализации и минимальное искажение передаваемых пакетов, а также сохранение высокой степени конфиденциальности информации.
6. Разработка проекта (метод проектирования, формальное описание процесса)
Для локальных вычислительных сетей может оказаться достаточным разбиение большой сети на более мелкие. Установка локальных серверов, маршрутизаторов или обычных концентраторов. Например, сеть огромного предприятия можно разбить на небольшие сети различных отделов и цехов, а выход в сеть предприятия перекрыть маршрутизатором с зашитой в его память картой соединения. Это поможет разгрузить общую сеть предприятия и повысить скорость обмена информацией внутри каждого отдела.
Аналогично можно поступить и в сетях более высокого уровня. Не секрет, что некоторые провайдеры Интернета уже не могут предоставить компании столько IP адресов, сколько желает сама компания, по большому счету это и не нужно. Выход в Интернет у компании или отдельных ее офисов перекрывается шлюзом. Это позволяет назначить ему один единственный IP адрес, а внутренняя сеть организуется таким образом, что информация через шлюз проходит только если сотрудник обращается к абоненту, находящемуся за пределами его локальной сети. Это позволяет экономить пропускную способность сети в целом. Еще больше повысить пропускную способность сети и скорость обработки запросов можно применением прокси-серверов и настройкой его на кэширование мало-изменяющейся информации, например, кэширование только текста наиболее часто просматриваемых сотрудниками Интернет страниц может не только сэкономить финансы предприятия, но и обеспечить высокую скорость взаимодействия удаленного и головного офисов компании. Для провайдера установка мощного кэширующего прокси-сервера может оказаться еще более выгодным в связи с отсутствием необходимости бессмысленно перекачки неизменной информации, что так же приводит к повышению пропускной способности сети и скорости передачи необходимой информации.
Сложнее дело обстоит с глобальными сетями. Здесь для обеспечения высоких показателей используется в основном дейтаграмный способ передачи данных, что делает нагрузку на сеть с точки зрения отдельного абонента практически ничтожной, однако это приводит к таким недостаткам как перепутывание отдельных дейтаграмм при их получении конечным абонентом.
Решение проблемы может быть в применении виртуальных каналов. Виртуальный канал — устойчивый маршрут передачи данных между абонентом источником и абонентом приемником. В зависимости от необходимости передачи тех или иных данных, а также от степени загруженности отдельных линий передачи данных между источником и приемником может быть проложено несколько виртуальных каналов как полностью совпадающих по своему маршруту, так и использующие разные коммутационные узлы. При наличии устойчивых каналов передаваемая информация может снабжаться только номером канала вместо адресов источника и приемника пакетов. Что так же повышает скорость передачи и пропускную способность сети.
6.1. Обеспечение высокой пропускной способности локальной сети
В настоящее время локальные вычислительные сети строятся в основном с применением технологии Ethernet. Это связано, прежде всего, с тем что технология Ethernet обладает такими достоинствами как простота настройки, расширяемость, простая адресация и экономичность. Однако в крупных компаниях с расширением парка вычислительной техники становятся заметными задержки в обработки запросов. В первую очередь это связано с перегрузкой сети. Технология Ethernet имеет очень хороший алгоритм обработки коллизий позволяющий добиться максимальной надежности передачи данных, однако данный алгоритм не спасает от перегрузки сети.
Как отмечалось в п. 6 нагрузку на сеть можно уменьшить разбиением большой сети на более мелкие подсети. Например, масштаба отдела. В этом случае все внутренние запросы и данные отдела будут обрабатываться исключительно внутри отдела, сохраняя пропускную способность сети предприятия в целом. Для связи с общей сетью предприятия или сетями других отделов на входе в сеть отдела может быть установлен маршрутизатор с указанием всех возможных маршрутов внутри сети.
При достаточно большой разветвленности сети, возможно, будет необходимо проведение специального исследования и перенастройка таблиц маршрутизации для обеспечения максимальной скорости соединения. Но такая необходимость появляется крайне редко.
Так же в целях снижения нагрузки на сеть могут применяться кэширующие прокси-сервера — специальные программы для кэширования часто запрашиваемой информации. Чаще всего такие программы устанавливаются на компьютере, выполняющем роль шлюза. В качестве прокси-сервера может быть использована программа Squid. Программа позволяет проводить кэширование трафика протоколов HTTP, FTP, Goofer. Программа разработана сообществом независимых программистов и распространяется совершенно бесплатно. В настоящее время доступны версии программы для Unix систем и систем на базе ОС Windows NT. Программа обладает огромным количеством настроек и после качественной настройки может снизить внешний трафик сети в два и более раз, без каких либо ограничений на работу пользователей. Кроме того, последние версии программы позволяют создавать иерархические структуры, что также положительно сказывается на пропускной способности сети. Так при настройке такой структуры если на сервере не оказалось копии запрошенных данных от запрашивает данные с прокси-сервера более высокого уровня или с прокси-сервера того же уровня и только если на них нет запрашиваемых данных обращается во внешнюю сеть за первоисточником.
В крупных организация прокси-сервер можно установить в каждом удаленном офисе, что так же снизит нагрузку на внешнюю сеть и может оградить внутренние сети от внешнего вторжения.
6.2. Обеспечение высокой пропускной способности в глобальной сети Интернет. Организация виртуальных каналов, принцип работы и основные возможности виртуальных каналов (описание метода)
В п. 4. рассмотрены основные способы передачи данных их достоинства и недостатки. Из вышесказанного можно сделать вывод, что с определенными допущениями для использования в современных сетях могут подойти способ коммутируемых пакетов как наиболее экономичный и практичный с точки зрения экономии пропускной способности сети, а также дейтаграммный способ — как наиболее быстрый способ доставки пакетов от источника до получателя. Оба этих способа имеют свои недостатки:
коммутация пакетов использует строго прописанный канал, при разрыве которого может произойти значительная задержка передачи пакетов и даже разрыв соединения;
дейтаграммный способ передачи данных практически не способен обеспечить последовательность доставки данных до получателя, требуется их предварительное кэширование и сборка.
Попробуем добиться результата, объединив эти способы передачи данных.
Итак. Требования к новому способу передачи данных можно сформулировать следующим образом:
обеспечить максимальную скорость передачи пакетов информации от источника до приемника;
обеспечить высокую пропускную способность сети;
обеспечить последовательность доставки отдельных сообщений;
- исключить возможность потери соединения по причине неполадок на линиях связи или в коммутирующей аппаратуре (обеспечить интеллектуальный выбор маршрута следования сообщений).
Для выполнения вышеописанных задач аппаратура, обеспечивающая передачу данных в сети – коммутаторы должны работать по следующему алгоритму:
1. При получении запроса от источника на установку связи с приемником информации первый коммутатор должен разослать запросы на все доступные ему соседние коммутаторы. Запрос на организацию связи должен содержать IP адрес источника, код (номер) сеанса связи и уникальный код коммутатора.