Електронний посібник

Лекція № 6

Тема: Комутація каналів та пакетів

Мета: ознайомитися з поняттями комутації каналів та пакетів та принципами їх роботи

План

1 Підходи до виконання комутації.

2 Комутація каналів.

3 Комутація пакетів.

4 Комутація повідомлень.

5 Порівняння комутації каналів і комутації пакетів.

6 Постійна і динамічна комутація.

7 Дейтаграмнa передача.

8 Основні переваги технології Ethernet.

Лекційний матеріал

Підходи до виконання комутації


У загальному випадку рішення кожної з приватних завдань комутації - визначення потоків і відповідних маршрутів, фіксація маршрутів в конфігураційних параметрах і таблицях мережевих пристроїв, розпізнавання потоків і передача даних між інтерфейсами одного пристрою, мультиплексування / демультиплексування потоків і поділ середовища передачі - тісно пов'язане з вирішенням усіх інших. Комплекс технічних рішень узагальненої задачі комутації в сукупності становить базис будь-якої мережевої технології. Від того, який механізм прокладки маршрутів, просування даних і спільного використання каналів зв'язку закладений в тій чи іншій мережевої технології, залежать її фундаментальні властивості.

Серед безлічі можливих підходів до вирішення завдання комутації абонентів у мережах виділяють два основних:

Зовні обидві ці схеми відповідають приведеній на рис. 1 структурі мережі, однак можливості і властивості їх різні.

Мережі з комутацією каналів мають більш багату історію, вони сталися від перших телефонних мереж. Мережі з комутацією пакетів порівняно молоді, вони з'явилися наприкінці 60-х років як результат експериментів з першими глобальними комп'ютерними мережами. Кожна з цих схем має свої переваги і недоліки, але за довгостроковими прогнозами багатьох фахівців, майбутнє належить технології комутації пакетів, як більш гнучкою і універсальною.


Комутація каналів

При комутації каналів комутаційна мережа утворює між кінцевими вузлами безперервний складовою фізичний канал з послідовно з'єднаних комутаторами проміжних канальних ділянок. Умовою того, що кілька фізичних каналів при послідовному з'єднанні утворюють єдиний фізичний канал, є рівність швидкостей передачі даних у кожному зі складових фізичних каналів. Рівність швидкостей означає, що комутатори такої мережі не повинні буферизованная передані дані.

У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої і створюється складений канал. І тільки після цього можна починати передавати дані.

Наприклад, якщо мережа, зображена на рис. 1, працює за технологією комутації каналів, то вузол 1, щоб передати дані вузлу 7, спочатку повинен передати спеціальний запит на встановлення з'єднання комутатора A, вказавши адресу призначення 7. Комутатор А повинен вибрати маршрут освіти складеного каналу, а потім передати запит наступному комутатора, в даному випадку E. Потім комутатор E передає запит комутатора F, а той, у свою чергу, передає запит вузлу 7. Якщо вузол 7 приймає запит на встановлення з'єднання, він направляє по вже встановленим каналу відповідь вихідного вузла, після чого складовою канал вважається скоммутирован, і вузли 1 і 7 можуть обмінюватися по ньому даними.

Техніка комутації каналів має свої переваги і недоліки.

Переваги комутації каналів

Постійна і відома швидкість передачі даних за встановленим між кінцевими вузлами каналу. Це дає користувачеві мережі можливості на основі заздалегідь зробленої оцінки необхідної для якісної передачі даних пропускної здатності встановити в мережі канал потрібної швидкості.

Низький і постійний рівень затримки передачі даних через мережу. Це дозволяє якісно передавати дані, чутливі до затримок (звані також трафіком реального часу) - голос, відео, різну технологічну інформацію.

Недоліки комутації каналів

Відмова мережі в обслуговуванні запиту на встановлення з'єднання. Така ситуація може скластися через те, що на деякій ділянці мережі з'єднання потрібно встановити вздовж каналу, через який вже проходить максимально можливу кількість інформаційних потоків. Відмова може статися і на кінцевій ділянці складеного каналу - наприклад, якщо абонент здатний підтримувати тільки одне з'єднання, що характерно для багатьох телефонних мереж. При отриманні другого дзвінка до вже абонента, що розмовляє мережа передає абоненту короткі гудки - сигнал "зайнято".

Нераціональне використання пропускної здатності фізичних каналів. Та частина пропускної здатності, яка відводиться складеного каналу після встановлення з'єднання, надається йому на весь час, тобто до тих пір, поки з'єднання не буде розірвано. Однак абонентам не завжди потрібна пропускна здатність каналу під час з'єднання, наприклад, у телефонній розмові можуть бути паузи, ще більш нерівномірним у часі є взаємодія комп'ютерів. Неможливість динамічного перерозподілу пропускної здатності є принципове обмеження мережі з комутацією каналів, оскільки одиницею комутації тут є інформаційний потік в цілому.

Обов'язкова затримка перед передачею даних через фази встановлення з'єднання.

Переваги і недоліки будь-якої мережевої технології відносні. У певних ситуаціях на перший план виходять гідності, а недоліки стають несуттєвими. Так, техніка комутації каналів добре працює в тих випадках, коли потрібно передавати тільки трафік телефонних розмов. Тут з неможливістю "вирізати" паузи з розмови і більш раціонально використовувати магістральні фізичні канали між комутаторами можна миритися. А ось при передачі дуже нерівномірного комп'ютерного трафіку ця нераціональність вже виходить на перший план.


Комутація пакетів

Ця техніка комутації була спеціально розроблена для ефективної передачі комп'ютерного трафіку. Перші кроки на шляху створення комп'ютерних мереж на основі техніки комутації каналів показали, що цей вид комутації не дозволяє досягти високої загальної пропускної здатності мережі. Типові мережеві додатки генерують трафік дуже нерівномірно, з високим рівнем пульсації швидкості передачі даних. Наприклад, при зверненні до віддаленого файлового сервера користувач спочатку переглядає вміст каталогу цього сервера, що породжує передачу невеликого обсягу даних. Потім він відкриває необхідний файл у текстовому редакторі, і ця операція може створити досить інтенсивний обмін даними, особливо якщо файл містить об'ємні графічні включення. Після відображення декількох сторінок файлу користувач деякий час працює з ними локально, що взагалі не вимагає передачі даних по мережі, а потім повертає модифіковані копії сторінок на сервер - і це знову породжує інтенсивну передачу даних по мережі.

Коефіцієнт пульсації трафіка окремого користувача мережі, рівний відношенню середньої інтенсивності обміну даними до максимально можливої, може досягати 1:50 або навіть 1:100. Якщо для описаної сесії організувати комутацію каналу між комп'ютером користувача і сервером, то велику частину часу канал буде простоювати. У той же час комутаційні можливості мережі будуть закріплені за даною парою абонентів і будуть недоступні іншим користувачам мережі.

При комутації пакетів всі передані користувачем повідомлення розбиваються у вихідному вузлі на порівняно невеликі частини, що називаються пакетами. Нагадаємо, що повідомленням називається логічно завершена порція даних - запит на передачу файлу, відповідь на цей запит, що містить весь файл і т.д. Повідомлення можуть мати довільну довжину, від декількох байт до багатьох мегабайт. Навпаки, пакети звичайно теж можуть мати змінну довжину, але у вузьких межах, наприклад від 46 до 1500 байт. Кожен пакет забезпечується заголовком, у якому вказується адресна інформація, необхідна для доставки пакету на вузол призначення, а також номер пакета, який буде використовуватися вузлом призначення для зборки повідомлення (рис. 3). Пакети транспортуються по мережі як незалежні інформаційні блоки. Комутатори мережі приймають пакети від кінцевих вузлів і на підставі адресної інформації передають їх один одному, а в кінцевому підсумку - вузлу призначення.

Комутатори пакетної мережі відрізняються від комутаторів каналів тим, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, якщо вихідний порт комутатора в момент прийняття пакету зайнятий передачею іншого пакета (мал. 3). У цьому випадку пакет знаходиться деякий час у черзі пакетів у буферній пам'яті вихідного порту, а коли до нього дійде черга, він передається наступному комутатора. Така схема передачі даних дозволяє згладжувати пульсацію трафіка на магістральних зв'язках між комутаторами і тим самим найбільш ефективно використовувати їх для підвищення пропускної здатності мережі в цілому.

Дійсно, для пари абонентів найбільш ефективним було б надання їм в одноосібне користування скоммутирован каналу зв'язку, як це робиться в мережах з комутацією каналів. У такому випадку час взаємодії цієї пари абонентів було б мінімальним, тому що дані без затримок передавалися б від одного абонента іншому. Простої каналу під час пауз передачі абонентів не цікавлять, для них важливо швидше вирішити своє завдання. Мережа з комутацією пакетів уповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, тому що їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, поки по магістральних зв'язків передаються інші пакети, які прийшли в комутатор раніше.

Тим не менше, загальний обсяг переданих мережею комп'ютерних даних в одиницю часу при техніці комутації пакетів буде вище, ніж при техніці комутації каналів. Це відбувається тому, що пульсації окремих абонентів відповідно до закону великих чисел розподіляються в часі так, що їх піки не збігаються. Тому комутатори постійно і досить рівномірно завантажені роботою, якщо кількість обслуговуваних ними абонентів справді велике. На рис. 4 показано, що трафік, що поступає від кінцевих вузлів на комутатори, розподілений у часі дуже нерівномірно. Однак комутатори більш високого рівня ієрархії, які обслуговують з'єднання між комутаторами нижнього рівня, завантажені більш рівномірно, і потік пакетів в магістральних каналах, що з'єднують комутатори верхнього рівня, має майже максимальний коефіцієнт використання. Буферизація згладжує пульсації, тому коефіцієнт пульсації на магістральних каналах набагато нижче, ніж на каналах абонентського доступу - він може бути рівним 1:10 або навіть 1:2.

Більш висока ефективність мереж з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів (при рівній пропускної спроможності каналів зв'язку) була доведена в 60-і роки як експериментально, так і за допомогою імітаційного моделювання. Тут доречна аналогія з мультипрограмному операційними системами. Кожна окрема програма в такій системі виконується довше, ніж у однопрограмних системі, коли програмі виділяється все процесорний час, поки її виконання не завершиться. Проте загальне число програм, що виконуються за одиницю часу, у мультипрограмній системі більше, ніж у однопрограмних.

Мережа з комутацією пакетів уповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, але підвищує пропускну здатність мережі в цілому.

Затримки в джерелі передачі:

Затримки в кожному комутаторі:


Переваги комутації пакетів

Висока загальна пропускна здатність мережі при передачі пульсуючого трафіка.

Можливість динамічно перерозподіляти пропускну здатність фізичних каналів зв'язку між абонентами відповідно до реальних потреб їхнього трафіку.

Недоліки комутації пакетів

Невизначеність швидкості передачі даних між абонентами мережі, обумовлена ​​тим, що затримки в чергах буферів комутаторів мережі залежать від загального завантаження мережі.

Змінна величина затримки пакетів даних, яка може бути досить тривалою у моменти миттєвих перевантажень мережі.

Можливі втрати даних через переповнення буферів.

В даний час активно розробляються і впроваджуються методи, що дозволяють подолати зазначені недоліки, які особливо гостро виявляються для чутливого до затримок трафіку, потребує при цьому постійної швидкості передачі. Такі методи називаються методами забезпечення якості обслуговування (Quality of Service, QoS).

Мережі з комутацією пакетів, в яких реалізовані методи забезпечення якості обслуговування, дозволяють одночасно передавати різні види трафіку, в тому числі такі важливі як телефонний та комп'ютерний. Тому методи комутації пакетів сьогодні вважаються найбільш перспективними для побудови конвергентної мережі, яка забезпечить комплексні якісні послуги для абонентів будь-якого типу. Тим не менше, не можна скидати з рахунків і методи комутації каналів. Сьогодні вони не тільки з успіхом працюють в традиційних телефонних мережах, але і широко застосовуються для утворення високошвидкісних постійних з'єднань в так званих первинних (опорних) мережах технологій SDH і DWDM, які використовуються для створення магістральних фізичних каналів між комутаторами телефонних чи комп'ютерних мереж. У майбутнє цілком можлива поява нових технологій комутації, в тому чи іншому вигляді комбінує принципи комутації пакетів і каналів.



Комутація повідомлень

Комутація повідомлень за своїми принципами близька до комутації пакетів. Під комутацією повідомлень розуміється передача єдиного блоку даних між транзитними комп'ютерами мережі з тимчасовою буферизацією цього блоку на диску кожного комп'ютера. Повідомлення на відміну від пакета має довільну довжину, яка визначається не технологічними міркуваннями, а змістом інформації, що становить повідомлення.

Транзитні комп'ютери можуть з'єднуватися між собою як мережею з комутацією пакетів, так і мережею з комутацією каналів. Повідомлення (це може бути, наприклад, текстовий документ, файл із кодом програми, електронний лист) зберігається в транзитному комп'ютері на диску, причому досить тривалий час, якщо комп'ютер зайнятий іншою роботою або мережу тимчасово перевантажена.

За такою схемою зазвичай передаються повідомлення, що не вимагають негайної відповіді, найчастіше повідомлення електронної пошти. Режим передачі з проміжним зберіганням на диску називається режимом "зберігання-і-передачі" (store-and-forward).

Режим комутації повідомлень розвантажує мережу для передачі трафіку, що вимагає швидкої відповіді, наприклад трафіку служби WWW чи файлової служби.

Кількість транзитних комп'ютерів зазвичай намагаються зменшити. Якщо комп'ютери підключені до мережі з комутацією пакетів, то число проміжних комп'ютерів зменшується до двох. Наприклад, користувач передає поштове повідомлення своєму серверу вихідної пошти, а той відразу намагається передати його серверу вхідної пошти адресата. Але якщо комп'ютери пов'язані між собою телефонною мережею, то часто використовується кілька проміжних серверів, так як прямий доступ до кінцевого сервера може бути в даний момент неможливий через перевантаження телефонної мережі (абонент зайнятий) чи економічно невигідний через високі тарифи на далекий телефонний зв'язок.

Техніка комутації повідомлень з'явилася в комп'ютерних мережах раніше техніки комутації пакетів, але потім була витиснута останньою, як більш ефективної за критерієм пропускної здатності мережі. Запис повідомлення на диск займає досить багато часу, і крім того, наявність дисків припускає використання в якості комутаторів спеціалізованих комп'ютерів, що тягне за собою істотні витрати на організацію мережі.

Сьогодні комутація повідомлень працює тільки для деяких не оперативних служб, причому найчастіше поверх мережі з комутацією пакетів, як служба прикладного рівня.


Порівняння способів комутації

Порівняння комутації каналів і комутації пакетів

Комутація каналів

Гарантована пропускна здатність (смуга) для взаємодіючих абонентів

Мережа може відмовити абоненту у встановленні з'єднання

Трафік реального часу передається без затримок

Адреса використовується тільки на етапі встановлення з'єднання

Комутація пакетів

Пропускна здатність мережі для абонентів невідома, затримки передачі носять випадковий характер

Мережа завжди готова прийняти дані від абонента

Ресурси мережі використовуються ефективно при передачі пульсуючого трафіка

Адреса передається з кожним пакетом.


Постійна і динамічна комутація

Як мережі з комутацією пакетів, так і мережі з комутацією каналів можна розділити на два класи:

У мережах з динамічною комутацією:

Прикладами мереж, що підтримують режим динамічної комутації, є телефонні мережі загального користування, локальні мережі, мережі TCP / IP.

Мережа, що працює в режимі постійної комутації:

Найбільш популярними мережами, що працюють в режимі постійної комутації, сьогодні є мережі технології SDH, на основі яких будуються виділені канали зв'язку з пропускною спроможністю у декілька гігабіт на секунду.

Деякі типи мереж підтримують обидва режими роботи. Наприклад, мережі X.25 і ATM можуть надавати користувачу можливість динамічно зв'язатися з будь-яким іншим користувачем мережі і в той же час відправляти дані по постійному з'єднанню певному абоненту.

Пропускна здатність мереж з комутацією пакетів

Однією з відмінностей методу комутації пакетів від методу комутації каналів є невизначеність пропускної здатності з'єднання між двома абонентами. У разі комутації каналів після утворення складеного каналу пропускна здатність мережі при передачі даних між кінцевими вузлами відома - це пропускна здатність каналу. Дані після затримки, пов'язаної з встановленням каналу, починають передаватися на максимальній для каналу швидкості (рис. 5.). Час передачі повідомлення в мережі з комутацією каналів Тк.к. дорівнює сумі затримки поширення сигналу по лінії зв'язку і затримки передачі повідомлення. Затримка поширення сигналу залежить від швидкості поширення електромагнітних хвиль у конкретної фізичної середовищі, яка коливається від 0,6 до 0,9 швидкості світла у вакуумі. Час передачі повідомлення одно V / C, де V - обсяг повідомлення в бітах, а C - пропускна здатність каналу в бітах за секунду.

Процедура встановлення з'єднання в цих мережах, якщо вона використовується, займає приблизно такий же час, як і в мережах з комутацією каналів, тому будемо порівнювати тільки час передачі даних.

На рис. 6 показаний приклад передачі даних у мережі з комутацією пакетів. Передбачається, що по мережі передається повідомлення того ж обсягу, що і повідомлення, що передається на рис. 5. однак воно розділено на пакети, кожен з яких забезпечений заголовком. Час передачі повідомлення в мережі з комутацією пакетів позначене на малюнку Тк.п. При передачі цього розбитого на пакети повідомлення по мережі з комутацією пакетів виникають додаткові затримки. По-перше, це затримки в джерелі передачі, який, крім передачі власне повідомлення, витрачає додатковий час на передачу заголовків tп.з., до того ж додаються затримки tінт, викликані інтервалами між передачею кожного наступного пакета (цей час іде на формування чергового пакета стеком протоколів).

По-друге, додатковий час витрачається в кожному комутаторі. Тут затримки складаються з часу буферизації пакета tб.п. (Комутатор не може почати передачу пакета, не прийнявши його повністю в свій буфер) і часу комутації tк. Час буферизації дорівнює часу прийому пакета з бітовою швидкістю протоколу. Час комутації складається з часу очікування пакета в черзі і часу переміщення пакета у вихідний порт. Якщо час переміщення пакета фіксоване і, як правило, невелика (від декількох мікросекунд до декількох десятків мікросекунд), то час очікування пакета в черзі коливається в дуже широких межах і заздалегідь невідомо, тому що залежить від поточної завантаження мережі.

Проведемо грубу оцінку затримки при передачі даних в мережах з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів на найпростішому прикладі. Нехай тестове повідомлення, яке потрібно передати в обох видах мереж, має об'єм 200 Кбайт. Відправник знаходиться від одержувача на відстані 5000 км. Пропускна спроможність ліній зв'язку складає 2 Мбіт / c.

Час передачі даних по мережі з комутацією каналів складається з часу поширення сигналу, яке для відстані 5000 км можна оцінити приблизно в 25 мс (беручи швидкість поширення сигналу рівної 2 / 3 швидкості світла), і часу передачі повідомлення, яке при пропускній здатності 2 Мбіт / c і довжині повідомлення 200 Кбайт дорівнює приблизно 800 мс. При розрахунку коректне значення К (210), рівне 1024, округляється до 1000, аналогічно значення М (220), рівне 1048576, округляється до 1000000. Таким чином, передача даних оцінюється в 825 мс.

Ясно, що при передачі цього повідомлення по мережі з комутацією пакетів, що володіє такою ж сумарною довжиною і пропускною здатністю каналів, які пролягають від відправника до одержувача, час поширення сигналу і час передачі даних будуть такими ж - 825 мс. Однак з-за затримок в проміжних вузлах загальний час передачі даних збільшиться. Давайте оцінимо, на скільки зросте цей час. Будемо вважати, що шлях від відправника до одержувача пролягає через 10 комутаторів. Нехай вихідне повідомлення розбивається на пакети в 1 Кбайт, всього 200 пакетів. Спочатку оцінимо затримку, що виникає у вихідному вузлі. Припустимо, що частка службової інформації, розміщеної в заголовках пакетів, по відношенню до загального обсягу повідомлення складає 10%. Отже, додаткова затримка, пов'язана з передачею заголовків пакетів, складає 10% від часу передачі цілого повідомлення, тобто 80 мс. Якщо прийняти інтервал між відправленням пакетів рівним 1 мс, то додаткові втрати за рахунок інтервалів складуть 200 мс. Таким чином, у вихідному вузлі через пакетування повідомлення при передачі виникла додаткова затримка в 280 мс.

Кожний з 10 комутаторів вносить затримку комутації, яка може становити від часток до тисяч мілісекунд. У даному прикладі будемо вважати, що на комутацію в середньому витрачається 20 мс. Крім того, при проходженні повідомлень через комутатор виникає затримка буферизації пакета. Ця затримка при величині пакета 1 Кбайт і пропускної здатності лінії 2 Мбіт / c дорівнює 4 мс. Загальна затримка, яку вносить 10 комутаторами, складає приблизно 240 мс. У результаті додаткова затримка, створена мережею з комутацією пакетів, склала 520 мс. Враховуючи, що вся передача даних у мережі з комутацією каналів посіла 825 мс, цю додаткову затримку можна вважати істотною.

Хоча наведений розрахунок носить дуже приблизний характер, він пояснює, чому процес передачі для визначеної пари абонентів у мережі з комутацією пакетів є більш повільним, ніж у мережі з комутацією каналів.

Невизначена пропускна здатність мережі з комутацією пакетів - це плата за її загальну ефективність при деякому обмеженні інтересів окремих абонентів. Аналогічно, у мультипрограмній операційній системі час виконання додатка пророчити неможливо, так як воно залежить від кількості інших додатків, з якими дане додаток ділить процесор.

На ефективність роботи мережі впливають розміри пакетів, які передає мережу. Занадто великі розміри пакетів наближають мережа з комутацією пакетів до мережі з комутацією каналів, тому ефективність мережі падає. Крім того, при великому розмірі пакетів збільшується час буферизації на кожному комутаторі. Занадто маленькі пакети помітно збільшують частку службової інформації, так як кожен пакет містить заголовок фіксованої довжини, а кількість пакетів, на які розбиваються повідомлення, при зменшенні розміру пакета буде різко зростати. Існує деяка "золота середина", коли забезпечується максимальна ефективність роботи мережі, однак це співвідношення важко визначити точно, тому що воно залежить від багатьох факторів, в тому числі змінюються в процесі роботи мережі. Тому розробники протоколів для мереж з комутацією пакетів вибирають межі, в яких може перебувати розмір пакету, а точніше його поле даних, так як заголовок, як правило, має фіксовану довжину. Зазвичай нижня межа поля даних вибирається рівним нулю, що дає можливість передавати службові пакети без даних користувача, а верхня межа не перевищує 4 Кбайт. Програми при передачі даних намагаються зайняти максимальний розмір поля даних, щоб швидше виконати обмін, а невеликі пакети звичайно використовуються для коротких службових повідомлень, що містять, наприклад, підтвердження доставки пакета.

При виборі розміру пакета необхідно також враховувати інтенсивність бітових помилок каналу. На ненадійних каналах необхідно зменшувати розміри пакетів, тому що це скорочує обсяг повторного переданих даних при перекручуваннях пакетів.


Ethernet - приклад стандартної технології комутації пакетів

Розглянемо, яким чином описані вище загальні підходи до вирішення проблем побудови мереж втілені в найбільш популярної мережевої технології - Ethernet. (Зауважимо, що ми не будемо зараз докладно розглядати саму технологію - відкладемо це важливе питання до наступного курсу, а сьогодні зупинимося лише на деяких принципових моментах, що ілюструють ряд уже розглянутих базових концепцій.)

Мережева технологія - це узгоджений набір стандартних протоколів і програмно-апаратних засобів (наприклад, мережевих адаптерів, драйверів, кабелів і роз'єм), достатній для побудови обчислювальної мережі.

Ethernet "достатній" підкреслює ту обставину, що мова йде про мінімальному наборі засобів, за допомогою яких можна побудувати працездатну мережу. Цю мережу можна вдосконалити, наприклад, за рахунок виділення в ній підмереж, що відразу зажадає крім протоколів стандарту Ethernet застосування протоколу IP, а також спеціальних комунікаційних пристроїв - маршрутизаторів. Удосконалена мережа буде, швидше за все, більш надійною і швидкодіючою, але за рахунок надбудов над засобами технології Ethernet, яка склала базис мережі.

Термін "мережева технологія" найчастіше використовується в описаному вище вузькому сенсі, але іноді застосовується і його розширене тлумачення як будь-якого набору засобів і правил для побудови мережі, наприклад "технологія маршрутизації", "технологія створення захищеного каналу", "технологія IP-мереж ".

Протоколи, на основі яких будується мережа певної технології (у вузькому сенсі), створювалися спеціально для спільної роботи, тому від розробника мережі не потрібно додаткових зусиль по організації їх взаємодії. Іноді мережеві технології називають базовими технологіями, маючи на увазі, що на їх основі будується базис будь-якої мережі. Прикладами базових мережевих технологій можуть служити поряд з Ethernet такі відомі технології локальних мереж як Token Ring і FDDI, або ж технології територіальних мереж Х.25 і frame relay. Для отримання працездатної мережі в цьому випадку досить придбати програмні і апаратні засоби, що належать до однієї базової технології - мережеві адаптери з драйверами, концентратори, комутатори, кабельну систему і т. п., - і з'єднати їх відповідно до вимог стандарту на дану технологію.

Отже, для мережевої технології Ethernet характерні:

Основний принцип, покладений в основу Ethernet, - випадковий метод доступу до середовища передачі даних. В якості такого середовища може використовуватися товстий або тонкий коаксіальний кабель, вита пара, оптоволокно або радіохвилі (до речі, першою мережею, побудованої на принципі випадкового доступу до середи, була радіомережа Aloha Гавайського університету).

У стандарті Ethernet суворо зафіксована топологія електричних зв'язків. Комп'ютери підключаються до середи, що розділяється відповідно до типової структури "загальна шина" (рис. 7.). За допомогою розділяється в часі шини будь-які два комп'ютери можуть обмінюватися даними. Управління доступом до лінії зв'язку здійснюється спеціальними контролерами - мережевими адаптерами Ethernet. Кожен комп'ютер, а точніше, кожен мережевий адаптер, має унікальну адресу. Передача даних відбувається з швидкістю 10 Мбіт / с. Ця величина є пропускною спроможністю мережі Ethernet.

Суть випадкового методу доступу складається в наступному. Комп'ютер в мережі Ethernet може передавати дані по мережі, тільки якщо мережа вільна, тобто якщо ніякий інший комп'ютер в даний момент не займається обміном. Тому важливою частиною технології Ethernet є процедура визначення доступності середовища.

Після того як комп'ютер пересвідчився, що мережа вільна, він починає передачу і при цьому "захоплює" середу. Час монопольного використання розділяється одним вузлом обмежується часом передачі одного кадру. Кадр - це одиниця даних, якими обмінюються комп'ютери в мережі Ethernet. Кадр має фіксований формат і нарівні з полем даних містить різну службову інформацію, наприклад адресу одержувача і адресу відправника.

Мережа Ethernet влаштована так, що при попаданні кадру в середу передачі даних всі мережеві адаптери починають одночасно приймати цей кадр. Всі вони аналізують адресу призначення, розташовану в одному з початкових полів кадру, і, якщо ця адреса співпадає з їх власною, кадр вміщується у внутрішній буфер мережевого адаптера. Таким чином комп'ютер-адресат отримує призначені йому дані.

Може виникнути ситуація, коли кілька комп'ютерів одночасно вирішують, що мережа вільна, і починають передавати інформацію. Така ситуація, звана колізією, перешкоджає правильній передачі даних по мережі. У стандарті Ethernet передбачений алгоритм виявлення і коректної обробки колізій. Імовірність виникнення колізії залежить від інтенсивності мережевого трафіка.

Після виявлення колізії мережеві адаптери, які намагалися передати свої кадри, припиняють передачу і після паузи випадкової тривалості намагаються знов отримати доступ до середи і передати той кадр, який викликав колізію.


Основні переваги технології Ethernet

1. Головним достоїнством мереж Ethernet, завдяки якому вони стали такими популярними, є їх економічність. Для побудови мережі досить мати по одному мережевому адаптеру для кожного комп'ютера плюс один фізичний сегмент коаксіального кабелю потрібної довжини.

2. Крім того, в мережах Ethernet реалізовані досить прості алгоритми доступу до середи, адресації і передачі даних. Простота логіки роботи мережі веде до спрощення і, відповідно, зниженню вартості мережевих адаптерів і їх драйверів. З тієї ж причини адаптери мережі Ethernet мають високу надійність.

3. І, нарешті, ще однією чудовою властивістю мереж Ethernet є їх хороша розширюваність, тобто можливість підключення нових вузлів.

Інші базові мережеві технології, такі як Token Ring і FDDI, хоча і мають індивідуальними рисами, в той же час мають багато спільного з Ethernet. У першу чергу, це застосування регулярних фіксованих топологій ("ієрархічна зірка" і "кільце"), а також серед передачі даних. Істотні відмінності однієї технології від іншої пов'язані з особливостями методу доступу до середовища. Так, відмінності технології Ethernet від технології Token Ring багато в чому визначаються специфікою закладених в них методів розділення середовища - випадкового алгоритму доступу в Ethernet і методу доступу шляхом передачі маркера в Token Ring.


Дейтаграмнa передача

У мережах з комутацією пакетів сьогодні застосовується два класи механізмів передачі пакетів:

дейтаграмним передача;

віртуальні канали.

Прикладами мереж, що реалізують дейтаграммний механізм передачі, є мережі Ethernet, IP і IPX. За допомогою віртуальних каналів передають дані мережі X.25, frame relay і ATM. Спочатку ми розглянемо базові принципи дейтаграмному підходу.

Дейтаграммний спосіб передачі даних заснований на тому, що всі передані пакети обробляються незалежно один від одного, пакет за пакетом. Належність пакета до певного потоку між двома кінцевими вузлами і двома додатками, що працюють на цих вузлах, ніяк не враховується.

Вибір наступного вузла - наприклад, комутатора Ethernet або маршрутизатора IP / IPX - відбувається тільки на основі адреси вузла призначення, що міститься в заголовку пакета. Рішення про те, якому вузлу передати пакет, що прийшов, приймається на основі таблиці, яка містить набір адрес призначення та адресну інформацію, однозначно визначальну наступний (транзитний або кінцевий) вузол. Такі таблиці мають різні назви - наприклад, для мереж Ethernet вони зазвичай називаються таблиці просування (forwarding table), а для мережевих протоколів, таких як IP і IPX, - таблицями маршрутизації (routing table). Далі для простоти будемо користуватися терміном "таблиця маршрутизації" в якості узагальненої назви такого роду таблиць, використовуваних для дейтаграмному передачі на підставі тільки адреси призначення кінцевого вузла.

У таблиці маршрутизації для одного і того ж адреси призначення може мати декілька записів, що вказують, відповідно, на різні адреси наступного маршрутизатора. Такий підхід використовується для підвищення продуктивності і надійності мережі. У прикладі на рис. 8 пакети, що надходять в маршрутизатор R1 для вузла призначення з адресою N2, А2, з метою балансу навантаження розподіляються між двома наступними маршрутизаторами - R2 і R3, що знижує навантаження на кожен з них, а значить, зменшує черги і прискорює доставку. Деяка "розмитість" шляхів проходження пакетів з одним і тим же адресою призначення через мережу є прямим наслідком принципу незалежної обробки кожного пакета, властивого дейтаграмним протоколів. Пакети, наступні по одному і тому ж адресою призначення, можуть добиратися до нього різними шляхами і внаслідок зміни стану мережі, наприклад відмови проміжних маршрутизаторів.

Така особливість дейтаграмному механізму як розмитість шляхів прямування трафіку через мережу також у деяких випадках є недоліком. Наприклад, якщо пакетів певної сесії між двома кінцевими вузлами мережі необхідно забезпечити задану якість обслуговування. Сучасні методи підтримки QoS працюють ефективніше, коли трафік, якому потрібно забезпечити гарантії обслуговування, завжди проходить через одні й ті ж проміжні вузли.

Віртуальні канали в мережах з комутацією пакетів

Механізм віртуальних каналів (virtual circuit або virtual channel) створює у мережі стійкі шляху проходження трафіку через мережу з комутацією пакетів. Цей механізм враховує існування в мережі потоків даних.

Якщо метою є прокладка для всіх пакетів потоку єдиного шляху через мережу, то необхідним (але не завжди єдиним) ознакою такого потоку повинна бути наявність для всіх його пакетів спільних точок входу і виходу з мережі. Саме для передачі таких потоків в мережі створюються віртуальні канали. На рисунку 9 показано фрагмент мережі, в якій прокладено два віртуальні каналу. Перший проходить від кінцевого вузла з адресою N1, A1 до кінцевого вузла з адресою N2, A2 через проміжні комутатори мережі R1, R3, R7 і R4. Другий забезпечує просування даних по шляху N3, A3 - R5 - R7 - R4 - N2, A2. Між двома кінцевими вузлами може бути прокладено кілька віртуальних каналів, як повністю збігаються щодо шляху прямування через транзитні вузли, так і відмінних.

Мережа тільки забезпечує можливість передачі трафіку вздовж віртуального каналу, а які саме потоки будуть передаватися по цих каналах, вирішують самі кінцеві вузли. Вузол може використовувати один і той же віртуальний канал для передачі всіх потоків, які мають спільні з даними віртуальним каналом кінцеві точки, або ж тільки частини з них. Наприклад, для потоку реального часу можна використовувати один віртуальний канал, а для трафіку електронної пошти - інший. В останньому випадку різні віртуальні канали будуть висувати різні вимоги до якості обслуговування, і задовольнити їх буде простіше, ніж у тому випадку, коли по одному віртуальному каналу передається трафік з різними вимогами до параметрів QoS.

Важливою особливістю мереж з віртуальними каналами є використання локальних адрес пакетів при ухваленні рішення про передачу. Замість досить довгого адреси вузла призначення (його довжина повинна дозволяти унікально ідентифікувати всі вузли і підмережі в мережі, наприклад технологія АТМ оперує адресами довжиною в 20 байт) застосовується локальна, тобто змінюється від вузла до вузла, мітка, якої позначаються всі пакети, що переміщуються по певному віртуальному каналу. Ця позначка в різних технологіях називається по-різному: в технології X.25 - номер логічного каналу (Logical Channel number, LCN), в технології frame relay - ідентифікатор з'єднання рівня каналу даних (Data Link Connection Identifier, DLCI), в технології АТМ - ідентифікатор віртуального каналу (Virual Channel Identifier, VCI). Однак призначення її скрізь однаково - проміжний вузол, званий в цих технологіях комутатором, читає значення мітки із заголовка пакету, що прийшов і переглядає свою таблицю комутації, в якій вказується, на який вихідний порт потрібно передати пакет. Таблиця комутації містить записи тільки про що проходять через даний комутатор віртуальних каналах, а не про всі наявні в мережі вузлах (або підмережах, якщо застосовується ієрархічний спосіб адресації). Зазвичай у великій мережі кількість прокладених через вузол віртуальних каналів істотно меншою за кількість вузлів і підмереж, тому за розмірами таблиця комутації набагато менше таблиці маршрутизації, а, отже, перегляд займає набагато менше часу і не вимагає від комутатора великої обчислювальної потужності.

Ідентифікатор віртуального каналу (саме таку назву мітки буде використовуватися далі) також набагато коротше адреси кінцевого вузла (з тієї ж причини), тому і надмірність заголовка пакету, який тепер не містить довгого адреси, а переносить по мережі тільки ідентифікатор, істотно менше.