|
| |
|
Слаботочка Книги   Приемник данных Очередь сообщений на передачу Очередь сообщений на передачу Источник Рис. 8.1. Сеть с коммутацией сообщений Процессор сообщений ся дисциплина обслуживания сообщений из очереди по принципу первым пришел - первым обслужен . Однако иногда заголовок может содержать информацию об уровне приоритета сообщения, либо данные о качестве обслуживания, и тем самым позволяет произвести перестановки в очереди, помещая критичные ко времени сообщения в начало очереди. Сеть коммутации сообщений принципиально отличается от сети коммутации каналов тем, что источник и пункт назначения не взаимодействуют в реальном масштабе времени. В действительности большинство сетей коммутации сообщений могут обеспечивать передачу сообщения с задержанной доставкой, если узел назначения занят или не имеет возможности обслужить эту нагрузку. В этом случае нет необходимости определять состояние узла назначения до начала передачи сообщения, как при коммутации каналов. Сети коммутации сообщений принципиально отличаются от сетей коммутации каналов также и тем, как они реагируют на перегрузку. Сеть коммутации каналов блокирует или сбрасывает избыточную нагрузку, а сеть коммутации сообщений принимает обычно всю поступающую нагрузку, однако увеличивает время доставки сообщения, которое является следствием увеличения средних значений длин очереди. Другое важное отличие сети коммутации сообщений состоит в том, что линии передачи никогда не бывают свободными, если имеется для них нагрузка, ожидающая обслуживания. В сети коммутации каналов канал может быть закреплен за определенным соединением, но не за фактически обслуживаемой нагрузкой. Таким образом, часть пропускной способности может простаивать, в то время как абонентам отказывают в обслуживании. В противоположность этому использование линий передачи в сети коммутации сообщений непосредственно зависит от реального потока информации. Можно достичь сколь угодно высокого использования каналов, если допустить большие значения времени пребывания сообщения в очереди. В гл. 9 приведены основные результаты теории очередей, которые показывают взаимосвязь использования каналов с временем пребывания сообщения в очереди. 8.2. КОММУТАЦИЯ ПАКЕТОВ Телефонная сеть с коммутацией каналов мало приспособлена для обслуживания трафика передачи данных при работе в диалоговом режиме, поскольку она принципиально проектируется для обслуживания менее частых требований при сравнительно больших значениях времени занятия (в среднем от трех до четырех минут). Ни управляющие устройства системы коммутации, ни пропускная способность каналов сигнализации не в состоянии приспособиться к обслуживанию частых требований для очень коротких сообщений. Итог таков, что время установления соединения (вплоть до 15 с при междугородных соединениях, однако оно уменьшается при введении ОКС) оказывается во много раз больше, чем время занятия канала для передачи сообщения. Очевидно, что для обеспечения более высокого использования сети необходимо иметь более высокую пропускную способность канала управления и большую производительность устройств обработки вызовов в схемах коммутации. Однако помимо этого трафик передачи данных при работе в диалоговом режиме с низкими коэффициентами активности требует таких функций сети, которые принципиально отличны от функций обычной сети коммутации каналов. Наилучший режим работы сети, когда требования на обслуживание поступают пачками, больше соответствует сети коммутации сообщений, чем сети коммутации каналов. На рис. 8.2 показаны концептуальная структура и принцип работы сети коммутации пакетов. Сообщение источника разрезается на пакеты для последующей передачи по сети. Каждый пакет снабжается заголовком, содержащим адрес и другую управляющую информацию. Каждый пакет пересылается по сети по принципу промежуточного накопления, как на сети коммутации сообщений. На узле назначения все пакеты собираются в исходное склеенное сообщение и доставляются в устройство вывода данных. Главная особенность режима коммутации пакетов состоит в способе совместного использования линии передачи по требованию. Каждый пакет передается, как только оказьшается свободной соответствующая линия связи, однако средства передачи не занимаются источником, если у него нет посылок для передачи. Таким образом, большое число сравнительно неактивных источников могут совместно использовать линии передачи. По существу, использование линии повышается за счет увеличения объема памяти и усложнения управления на узлах. В сети коммутации каналов основную долю  \D\C\B\A\ Приемник данных Источник Рис. 8.2. Сеть с коммутацией пакетов составляют накладные расходы на управление, связанное с установлением соединения, а лишь незначительную часть - расходы на все последующее управление. В противоположность этому узлы коммутации пакетов должны обрабатывать информацию, содержащуюся в заголовке каждого пакета по мере его поступления. Таким образом, длинное сообщение в сети коммутации пакетов требует больших затрат на управление, чем если бы оно было обслужено сетью коммутации каналов. Учитывая тенденцию к снижению стоимости цифровой памяти и средств обработки, можно считать, что повышенная сложность управления с течением времени будет становиться все менее и менее существенной. По мере роста нагрузки в сетях с коммутацией пакетов растет соответствующим образом и средняя задержка передачи. В противоположность этому сеть с коммутацией каналов либо предоставляет обслуживание, либо отказывает в нем. Таким образом, здесь нет постепенного снижения качества обслуживания. И наоборот, если в сети коммутации каналов занято лишь несколько каналов, то значительная часть пропускной способности сети оказывается неиспользованной. При низкой нагрузке в сети коммутации пакетов активные абоненты извлекают выгоду из этой ситуации в виде сокращения времени задержки по сравнению с обычным. Следовательно, с точки зрения качества обслуживания абонента оба типа сети принципиально отличаются. Используя автоматическую систему с переспросом для защиты от ошибок, сети коммутации пакетов обычно обеспечивают, по существу, свободную от ошибок передачу пакетов от узла к узлу. Этот процесс требует, чтобы узлы, принимающие пакеты, обрабатывали проверочные символы, содержащиеся в каждом пакете, для определения правильности приема пакета. При обнаружении ошибки требуется повторная передача. Следовательно, передающие узлы должны хранить в памяти все переданные пакеты до тех пор, пока не будет принято подтверждение со стороны принимающего терминала. Кроме того, весь пакет должен быть принят и проверен на наличие ошибок прежде, чем он будет направлен другому узлу. Как это обычно делается, узлы сети коммутации пакетов связываются между собой арендованными коммутируемыми аналоговыми линиями, предоставляемыми эксплуатационными компаниями. Линии, на которых организуются каналы ТЧ, обычно приводятся в такое состояние, чтобы обеспечить максимально возможные скорости передачи данных, используя модемы ТЧ (обычно 9600 бит/с). Кроме того, широко используются и широкополосные каналы, обеспечивающие передачу со скоростью 56 кбит/с. Абоненты получают доступ к сети коммутации пакетов либо по местным арендуемым некоммутируемым линиям связи, либо с помощью автоматически коммутируемых соединений. Автоматически коммутируемые соединения используются абонентами, которые редко обращаются к сети, в то время как некоммутируемые арендуемые линии предпочитают абоненты, создающие большую нагрузку, для того чтобы иметь постоянную возможность выхода на сеть, более ш>1сокие скорости передачи данных и часто более низкие значения коэффициента ошибок. Большая часть ЭВМ обычно подключается с помощью некоммутируемых арендуемых линий, в то время как терминалы чаще подключаются с помощью автоматически коммутируемых соединений. Если для местного автоматически коммутируемого доступа плата начисляется по простому тарифу, то клиенты сети коммутации пакетов получают средства междугородной связи для передачи данных по стандартным ежемесячным тарифам, определяемым местными эксплуатационными компаниями. Компании, которые занимаются эксплуатацией сетей коммутации пакетов, как правило, начисляют плату только за количество фактически переданных данных. Поэтому клиенты получают значительную экономию, если они передают и принимают данные с учетом факторов низкой активности. Несмотря на аналогию с работой сети коммутации сообщений, сеть коммутации пакетов отличается в двух важных отношениях. 1. Задержки, связанные с промежуточным накоплением на сети коммутации пакетов сравнительно невелики. Таким образом, диалоговая связь может устанавливаться во многом точно так, как будто устанавливается канал от одного оконечного устройства до другого. 2. Сеть коммутации пакетов не обеспечивает хранения сообщений, за исключением эпизодических случаев, возникающих при переприеме пакетов с одного узла на другой. Сеть проектируется так, чтобы обеспечить коммутируемое соединение между двумя узлами, каждый из которых активно участвует в процессе установления связи. Основная сеть коммутации пакетов не хранит сообщения для более поздней доставки их на неактивный или занятый терминал. Одной из причин, побудивших перейти к разделению сообщений на пакеты, является допустимость передачи первого сегмента длинного сообщения в то время, как другие сегменты находятся в пути. Если бы полное сообщение нужно было принять на каждом узле полностью прежде, чем его можно было бы переслать на следующий узел, то задержки передачи на узлах могли бы стать слишком большими. Другая причина разделения сообщений на пакеты заключается в возможности упрощения эксплуатации, обусловленного фиксированной длиной блоков данных, которые нужно хранить, обрабатывать и передавать. Кроме того, если длинные сообщения передаются целиком, то задержки коротких сообщений, попадающих в очередь вслед за длинными сообщениями, чрезмерно велики. Переход к пакетам открывает возможность выхода коротких сообщений на линию передачи без ожидания в очереди за длинными сообщениями. Такой же принцип встречается в мультипрограммных ЭВМ, применяющих квантование машинного времени, которое позволяет завершить выполнение коротких заданий не дожидаясь окончания выполнения ранее начатых длинных заданий. Еще одно обстоятельство, обусловившее переход к пакетам, состоит в том, что если передача блока длится слишком долго, то маловероятно, что все сообщение будет принято без ошибок. Переход на передачу пакетов предоставляет средство повторной передачи только тех фрагментов сообщения, цля которых это требуется. 8.2.1. Форматы пакетов Форматы пакетов в различных сетях коммутации пакетов могут существенно отличаться. Некоторые форматы пакетов содержат большое число полей для управляющей информации, в то время как в других системах в большей степени полагаются на специальные пакеты для передачи управляющей информации. Вообще говоря, управляющая информация, относящаяся к определенному сообщению или к линии связи, выносится в заголовок пакета сообщения. Реже общесетевая управляющая информация передается в виде специальных управляющих пакетов. Структура формата пакета иногда зависит от типа ЭВМ, используемой для обработки пакетов и имеющихся протоколов связи. Как показано на рис. 8.3, пакет содержит три основных поля: заголовок, текст сообщения и дополнительные проверочные символы. Некоторые пакеты могут не содержать текста сообщения, если они используются только для целей управления. Хотя существует множество методов формирования избыточных проверочных комбинаций, наиболее распространенные методы используют циклические избыточные коды (ЦИК). В основном ЦИК это не что иное, как совокупность битов проверки на четность, которые покрывают пере- Под квантованием машинного времени понимают разделение времени работы центрального процессора на некоторые интервалы (кванты), в течение которых выполняется отдельная задача. По истечении этого интервала времени процессор приступает к выполнению следующей задачи. Обычно работу, выполняемую вычислительной системой, оценивают в определенных единицах - заданиях. Под заданием понимают одну задачу или совокупность задач, составляющих определенный объем работы. Квантование обычно применяют для предотвращения единовременного занятия процессора одной задачей.- Прим. перев. 
Рис. 8.3. Типовой формат пакета секающиеся поля битов текста сообщения. Поля пересекаются таким образом, что всегда обнаруживаются все ошибки небольшой кратности, а с вероятностью 1/2г, где М - число битов проверочной комбинации,- ошибки более высокой кратности 111]. Стандартные циклические коды можно теперь формировать и проверять на сдвигающих регистрах, выполняемых в виде одной интегральной схемы. Заголовок пакета обычно содержит ряд дополнительных полей помимо обязательного адресного поля. Дополнительные поля, иногда включаемые в заголовок, перечисляются ниже. 1. Код операции, который указывает, является ли этот пакет пакетом сообщения (текста) или управляющим пакетом. В определенном смысле это поле является частью адреса назначения в совокупности с адресом, определяющим управляющее устройство коммутационного узла. 2. Адрес источника, используемый для восстановления или идентификации пакета на узле назначения, который может одновременно принимать более одного сообщения. 3. Последовательный номер пакета, который используется при сборке сообщений на узле назначения для обнаружения ошибок и облегчения процедуры восстановления. 4. Код длины пакета, если передается пакет, длина которого меньше стандартной. Некоторые протоколы содержат специальные ограничители (флажки) в конце пакета, и поэтому не применяют подсчет длины пакета. 8.2.2. Статистическое уплотнение Цифровые методы группообразования на базе временнбго разделения, описанные в предыдущих главах, обеспечивают формирование группы каналом путем периодического закрепления временнбго интервала за каждым каналом. Временные интервалы закрепляются независимо от того, располагают ли соответствующие источники информацией, которую нужно передать, или нет. Закрепление каналов может быть изменено при установлении или разрушении соединений, но в течение разговора определенный временной интервал закрепляется за соответствующим соединением. Вследствие непрерывного характера занятия временных интервалов каждым времен- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 [66] 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |