Latencia je dôležitejšia ako šírka pásma. Analýza oneskorení hlasu a dát v sieťach IP a Frame Relay

Porovnajme oneskorenia prenosu dát v sieťach s prepájaním paketov s oneskoreniami v sieťach s prepínaním okruhov na základe obr. 3.13. Testovacia správa, ktorá sa má preniesť v oboch typoch sietí, je 200 000 bajtov. Odosielateľ je vo vzdialenosti 5000 km od príjemcu. Šírka pásma komunikačných liniek je 2 Mbit/s. Čas prenosu dát po sieti s prepojovaním okruhov je súčtom času šírenia signálu, ktorý na vzdialenosť 5000 km možno odhadnúť na cca 25 ms, a času prenosu správy na kanál, ktorý so šírkou pásma 2 Mbit / s a ​​veľkosť správy 200 000 bajtov je asi 800 ms, to znamená, že celkový prenos dát k účastníkovi trvá 825 ms. Poďme odhadnúť dodatočný čas potrebné na prenos tejto správy cez sieť s prepínaním paketov. Predpokladajme, že cesta od odosielateľa k prijímaču vedie cez 10 prepínačov. Predpokladajme tiež, že sieť je nedostatočne zaťažená a na prepínačoch nie sú žiadne fronty. Pôvodná správa je rozdelená do paketov po 1000 bajtoch, čo predstavuje celkom 200 paketov.

Ak vezmeme interval medzi odoslaním paketov rovný 1 ms, tak sa čas prenosu správy predĺži o ďalších 200 ms. Čas prenosu správy na kanál sa tiež zvýši kvôli potrebe prenášať hlavičky paketov. Predpokladajme, že podiel servisných informácií umiestnených v hlavičkách paketov vo vzťahu k celkovému objemu správ je 10 %. Preto dodatočné oneskorenie spojené s prenosom hlavičiek paketov je 10 % času prenosu pôvodnej správy, to znamená 80 ms. Keď pakety prechádzajú každým prepínačom, dochádza k oneskoreniu ukladania paketov.

S veľkosťou paketu 1 000 bajtov, 100 bajtovou hlavičkou a šírkou pásma linky 2 Mbps je táto latencia 4,4 ms v jednom prepínači. Plus oneskorenie spínania 2 ms. Výsledkom prechodu cez 10 prepínačov je, že paket dorazí s celkovým oneskorením 64 ms, ktorý je vynaložený na ukladanie do vyrovnávacej pamäte a prepínanie. Výsledkom je, že dodatočné oneskorenie zavedené sieťou s prepínaním paketov je 344 ms.

Vzhľadom na to, že celý prenos dát po sieti s prepájaním okruhov trvá 825 ms, možno toto dodatočné oneskorenie považovať za významné. Aj keď je tento výpočet veľmi hrubý, objasňuje dôvody, prečo je pre jednotlivého účastníka proces prenosu dát cez sieť s prepájaním paketov pomalší ako cez sieť s prepájaním okruhov.

Čo vyplýva z uvedeného príkladu? Dá sa sieť s prepínaním okruhov považovať za efektívnejšiu ako sieť s prepínaním paketov? Skúsme si na túto otázku odpovedať.

Pri posudzovaní siete ako celku je logické použiť ako kritérium efektívnosti siete nie rýchlosť prenosu prevádzky jednotlivého užívateľa, ale integrálnejšie kritérium, napríklad celkové množstvo dát prenášaných sieťou na jednotku čas. V tomto prípade sa účinnosť paketovo prepájaných sietí v porovnaní so sieťami s prepínaním okruhov (s rovnakou šírkou pásma komunikačných kanálov) ukazuje ako vyššia. Tento výsledok bol dokázaný v 60. rokoch experimentálne aj analyticky pomocou teórie radenia.

Prepínanie okruhov a paketov - to sú metódy na riešenie zovšeobecneného problému prepínania dát v akejkoľvek sieťovej technológii. Komplexné technické riešenia úloh zovšeobecneného prepájania v celom rozsahu pozostávajú z konkrétnych problémov sietí na prenos dát.

Medzi špeciálne problémy dátových sietí patria:

• definovať toky a vhodné trasy;
• konfiguračné parametre fixačnej trasy a tabuľky sieťových zariadení;
• rozpoznávacie toky a prenos dát medzi jedným rozhraním zariadenia;
• multiplexovanie/demultiplexovanie tokov;
• separačné médium.

Medzi mnohými možnými prístupmi k riešeniu zovšeobecneného problému účastníckych sietí prepínania sú dva základné, medzi ktoré patrí prepínanie kanálov a prepínanie paketov. Existujú teda tradičné aplikácie každej techniky prepínania, napríklad telefónne siete sa naďalej budujú a budujú pomocou technológie prepínania okruhov, počítačové siete a veľká väčšina je založená na technike prepínania paketov.

Preto ako tok informácií v sieťach s prepájaním okruhov dochádza k výmene údajov medzi dvojicou účastníkov. V súlade s tým je funkciou globálneho toku pár adries (telefónnych čísel), s ktorými účastníci komunikujú navzájom. Jednou z vlastností sietí s prepínaním okruhov je koncept elementárneho kanála.

Elementárny kanál

Elementárny kanál (alebo kanál)- je základná technická charakteristika siete s prepínaním okruhov, ktorá je pevná v rámci daného typu hodnoty priepustnosti siete. Každé spojenie v sieti s prepínaním okruhov má kapacitu niekoľkých kanálov, ktorá je elementárne prispôsobená pre tento typ siete.

V tradičných telefónnych systémoch je hodnota rýchlosti základného kanála rovná 64 kbit/s, čo je dostatočné pre kvalitný digitálny hlas.

Pre kvalitný hlas sa využíva frekvencia zvukových vibrácií amplitúdová kvantizácia 8000 Hz (doba vzorkovania 125 ms intervaloch). Na vyjadrenie miery amplitúdy sa najčastejšie používa 8-bitový kód, ktorý vytvára 256 tónovú gradáciu (podľa vzorkovacích hodnôt).

V tomto prípade je potrebný prenos jedného hlasového kanála so šírkou pásma 64 kbit/s:

8 000 x 8 = 64 000 bitov/s alebo 64 kbit/s.

Takýto hlasový kanál sa nazýva digitálne telefónne siete so základným kanálom. Vlastnosťou siete s prepínaním okruhov je, že šírka pásma každého spojenia sa musí rovnať celému počtu základných kanálov.

Kompozitný kanál

Komunikácia vytvorená prepínaním (spájaním) elementárnych kanálov, nazývaných a kompozitný kanál.

Kompozitný kanál

Vlastnosti kompozitného kanála:

• kompozitný kanál po celej svojej dĺžke pozostáva z rovnakého počtu elementárnych kanálov;
• kompozitný kanál má konštantnú a pevnú šírku pásma po celej svojej dĺžke;
• kompozitný kanál sa vytvorí dočasne na obdobie relácie dvoch účastníkov;
• pri relácii všetky základné kanály, ktoré sú zahrnuté v zloženom kanáli, zadajú výhradné použitie odberateľov, pre ktorých bol zložený kanál vytvorený;
• počas komunikačnej relácie môžu účastníci posielať sieťovú dátovú rýchlosť nepresahujúcu kapacitu kanála zloženého;
• dáta prijaté v zloženom kanáli, volanému účastníkovi je zaručené, že budú doručené bez oneskorenia, strát a s rovnakou rýchlosťou (zdrojová rýchlosť) bez ohľadu na to, či je v tomto čase v inej sieti spojenie alebo nie;
• po skončení relácie základné kanály, ktoré boli zahrnuté do zodpovedajúceho zloženého kanála, boli vyhlásené za voľné a vrátené do skupiny zdrojov pridelených na použitie inými používateľmi.

spojenie zamietnuté

spojenie zamietnuté

Žiadosti o pripojenie nie sú vždy úspešné.

Ak na ceste medzi volajúcim a volaným účastníkom nie sú žiadne voľné kanály alebo je volaný základný uzol obsadený, dôjde k poruche v nastavení spojenia.

Výhoda prepínania okruhov

Technológia prepínania okruhov je zameraná na minimalizáciu náhodných udalostí v sieti, tj technológia. Aby sa predišlo akejkoľvek možnej neistote, veľká časť práce na výmene informácií sa vykonáva vopred, ešte pred začiatkom prenosu údajov. Po prvé, pre danú adresu dostupnosť požadovaných základných kanálov od odosielateľa až po príjemcu. Ale v prípade bursty je tento prístup neefektívny, pretože 80 % časového kanála môže byť nečinných.

Prepínanie paketov

Najdôležitejším princípom sietí s paketovo prepínaným odosielaním dát je prenos cez sieť vo forme navzájom štrukturálne oddelených kusov dát nazývaných pakety. Každý paket má hlavičku, ktorá obsahuje cieľovú adresu a ďalšie podporné informácie (dĺžka dátového poľa, kontrolný súčet a iné.), Slúži na doručenie adresátovi balíka.

Mať adresu v každom pakete je jednou z najdôležitejších vlastností technológie prepínania paketov, pretože každý paket môže byť spracovaný nezávisle od ostatných prepínacích paketov tvoriacich sieťovú prevádzku. Okrem názvu v balíku môže mať ešte jedno pole navyše, ktoré sa umiestni na koniec balíka a tzv. V prívese je zvyčajne umiestnený kontrolný súčet, ktorý vám umožňuje skontrolovať, či informácie boli počas prenosu cez sieť poškodené alebo nie.

Rozdelenie údajov do paketov

Rozdelenie dát do paketov prebieha v niekoľkých fázach. Uzol reťazového odosielateľa generuje prenosové dáta, ktoré sú rozdelené na rovnaké časti. Potom dôjde k vytvoreniu balíka pridaním hlavičky nad hlavou. A posledná fáza je zostavenie paketov do pôvodnej správy do cieľového uzla.

Rozdelenie údajov do paketov

Prenos dát cez sieť ako paket

Sieť na prenos paketov

Rovnako ako v sieťach s prepínaním okruhov, aj v sieťach s prepínaním paketov, pre každý z tokov je určená trasa manuálne alebo automaticky stanovená v uložených tabuľkách pre komutačné prepínače. Pakety vstupujúce do prepínača sú spracované a odoslané konkrétnou cestou

Neistota a asynchrónny pohyb dát v paketovo prepájaných sieťach kladie špeciálne požiadavky na prepínače v takýchto sieťach.

Hlavný rozdiel medzi prepínačmi paketov prepínačov v sieťach s prepínaním okruhov je v tom, že majú vnútornú vyrovnávaciu pamäť na dočasné ukladanie paketov. Prepínacie vyrovnávacie pamäte musia harmonizovať prenosové rýchlosti v komunikačných spojeniach pripojených k ich rozhraniam, ako aj harmonizovať rýchlosť prijímania paketov s ich rýchlosťou prepínania.

Spôsoby prenosu balíkov

Prepínač môže fungovať na základe jednej z troch metód podpory balíkov:

• prenos datagramov;
• Prechod na vytvorenie logického spojenia;
• Presun na vytvorenie virtuálneho kanála.

Prenos datagramov

Prenos datagramov metóda založená na podpore paketov nezávislých od seba. Postup spracovania paketov je určený iba hodnotami parametrov, ktoré nesie, a aktuálnym stavom siete. A každá jedna paketová sieť je považovaná za úplne nezávislý prenos jednotky - datagram.

Ilustračný princíp datagramového paketu

Prechod na nadviazanie logického spojenia

Prechod na nadviazanie logického spojenia

Postup harmonizácie dvoch koncových uzlov siete niektorých parametrov procesu výmeny paketov sa nazýva vytvorenie logického spojenia. Možnosti dohodnuté dvoma interagujúcimi uzlami, nazývané parametre logického spojenia.

Virtuálny kanál

Virtuálny kanál

Jediná vopred vyplnená pevná trasa spájajúca koncové uzly so sieťou s prepínaním paketov, ktorá sa označuje ako virtuálny kanál (virtuálny okruh alebo virtuálny kanál). Virtuálne kanály sú vytvorené pre udržateľný tok informácií. S cieľom izolovať dátový tok je celkový prevádzkový tok každého paketu označený špeciálnym druhom znaku - štítku. Rovnako ako pri vytváraní logického sieťového pripojenia, virtuálny kanál začína tesnením zo zdrojového uzla špeciálnym balíkom - žiadosťou o pripojenie.

Siete prepínania tabuliek využívajúce virtuálne kanály sa líšia od prepínacej tabuľky v datagramových sieťach. Obsahuje záznamy, ktoré len prechádzajú cez virtuálne kanály prepínača, a nie všetky možné cieľové adresy, ako je to v prípade sietí s prenosom datagramového algoritmu.

Porovnanie spínaných okruhov a paketov

Prepínanie kanálov	Prepínanie paketov
Najprv musíte vytvoriť spojenie	Žiadna fáza vytvárania spojenia (metóda datagramu)
Poloha sa vyžaduje iba pri vytváraní spojenia	Adresa a ďalšie servisné informácie sa prenášajú s každým paketom
Sieť môže odmietnuť pripojenie k účastníkovi	Sieť je vždy pripravená prijímať dáta od predplatiteľa
Zaručená šírka pásma (šírka pásma) pre interagujúcich účastníkov	Šírka pásma siete pre používateľov je neznáma, oneskorenia prenosu sú náhodné
Prevádzka v reálnom čase sa prenáša bez oneskorenia	Sieťové zdroje sa efektívne využívajú pri prenose nárazovej prevádzky
Vysoká spoľahlivosť prenosu	Možná strata údajov v dôsledku pretečenia vyrovnávacej pamäte
Iracionálne využitie kapacity kanála, zníženie celkovej efektívnosti siete	Automatické dynamické prideľovanie šírky pásma fyzického kanála medzi predplatiteľmi

Nízka latencia je dôležitým faktorom pre spoľahlivé a vysokovýkonné siete. Komunikácia v reálnom čase, streaming a transakčné aplikácie sú veľmi závislé od času. Zvýšenie latencie len o niekoľko milisekúnd môže viesť k skresleniu obrazu a hlasu, zamrznutiu aplikácií a finančným stratám.

Poskytovatelia internetových služieb sa snažia sledovať kolísanie šírky pásma siete a latencie, ale zvyšovanie šírky pásma často neovplyvňuje latenciu siete. V tomto príspevku sa pozrieme na hlavné príčiny latencie a ako sa s ňou vysporiadať.

/ foto Thomas Williams

Latencia a jej vplyv na kvalitu hovoru

V paketových sieťach je vzťah medzi latenciou a priepustnosťou nejednoznačný a ťažko definovateľný. V tomto prípade čakacia doba pozostáva z nasledujúcich komponentov:

• Latencia serializácie – čas, ktorý port potrebuje na prenos paketu
• Oneskorenie šírenia - čas, ktorý trvá, kým sa časť informácie dostane k prijímaču (v dôsledku fyzikálnych zákonov)
• Oneskorenie preťaženia – čas, ktorý rámec strávi vo výstupnom fronte sieťového prvku
• Latencia prenosu – čas, ktorý NE strávi analýzou, spracovaním a prenosom paketu

Riadenie dopravy

Ashton, Metzler & Associates definuje riadenie prevádzky ako schopnosť siete zvládnuť odlišné typy premávky s rôznymi prioritami.

Tento prístup sa používa v sieťach s obmedzenou šírkou pásma pre kritické aplikácie citlivé na latenciu. Riadenie môže znamenať obmedzenie prevádzky na špecifické služby, ako je e-mail, a vyčlenenie časti kanála na prevádzkovanie kritických podnikových aplikácií.

Na riadenie kvality prevádzky a komunikácie v sieti organizácie inžinieri odporúčajú:

• Nakonfigurujte sieť tak, aby ste mohli monitorovať a klasifikovať prevádzku
• Analyzujte sieťovú prevádzku, aby ste pochopili vzorce fungovania dôležitých aplikácií
• Zaviesť vhodné rozdelenie do úrovní prístupu
• Monitorujte a nahlasujte, aby ste proaktívne spravovali meniace sa vzorce návštevnosti

Podľa Viavi Solutions je najefektívnejším spôsobom riadenia prevádzky hierarchická kontrola kvality (H-QoS), ktorá je kombináciou sieťových politík, filtrovania a riadenia šírky pásma. H-QoS nezníži výkon, ak všetky sieťové prvky poskytujú ultra nízku latenciu a vysoký výkon. Hlavnou výhodou H-QoS je, že znižuje latenciu bez potreby zvyšovania šírky pásma.

Pomocou NID

Zariadenia sieťové rozhranie(NID) poskytujú možnosť monitorovať a optimalizovať návštevnosť pri nízkych nákladoch. Zvyčajne sú takéto zariadenia inštalované na území predplatiteľa: sieťové veže a iné body prechodu medzi sieťami operátorov.

NID poskytujú kontrolu nad všetkými komponentmi siete. Ak takéto zariadenie podporuje H-QoS, potom môže poskytovateľ nielen monitorovať prevádzku siete, ale aj individuálne konfigurovať parametre pre každého pripojeného používateľa.

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte

Samotné relatívne malé zvýšenie šírky pásma nevyrieši problém slabého výkonu sieťových aplikácií. Ukladanie do vyrovnávacej pamäte pomáha urýchliť doručovanie obsahu a optimalizuje zaťaženie siete. Tento proces si možno predstaviť ako techniku ​​na zrýchlenie ukladania zdrojov – sieť je rýchlejšia, akoby po inovácii.

V organizáciách sa ukladanie do vyrovnávacej pamäte zvyčajne používa na niekoľkých úrovniach. Za povšimnutie stojí takzvané proxy cachovanie. Keď používateľ požaduje akékoľvek údaje, jeho požiadavku môže splniť lokálna vyrovnávacia pamäť proxy. Čím vyššia je pravdepodobnosť, že takáto požiadavka bude splnená, tým viac sa uvoľní sieťový kanál.

Proxy cache sú druhom zdieľanej cache: pracujú s veľkým počtom používateľov a sú veľmi dobré pri znižovaní latencie a sieťová prevádzka... Jedným z užitočných prípadov použitia ukladania do vyrovnávacej pamäte proxy je možnosť vzdialeného pripojenia viacerých zamestnancov k súboru interaktívnych webových aplikácií.

Kompresia údajov

Hlavným cieľom kompresie dát je zmenšiť veľkosť súborov, ktoré sa prenášajú cez sieť. Do určitej miery je kompresia podobná ukladaniu do vyrovnávacej pamäte a môže mať za následok zrýchlenie, napríklad zvýšenie šírky pásma. Jednou z najbežnejších metód kompresie je algoritmus Lempel-Ziv-Welch, ktorý sa používa napríklad pri archivácii ZIP a utilitke na kompresiu UNIX.

V niektorých situáciách však môže kompresia údajov viesť k problémom. Napríklad kompresia sa neškáluje dobre, pokiaľ ide o RAM a využitie procesora. Kompresia je tiež zriedka užitočná, ak je prenos šifrovaný. Pri použití väčšiny šifrovacích algoritmov sa na výstupe získa málo opakujúcich sa sekvencií, takže takéto údaje nemožno komprimovať štandardnými algoritmami.

Pre efektívnu prácu sieťové aplikácie musia riešiť problémy so šírkou pásma a latenciou súčasne. Kompresia údajov rieši iba prvý problém, a preto je také dôležité používať ju v spojení s technikami riadenia prevádzky.

Jednosmerná kompresia dát

Existuje alternatívny prístup ku kompresii údajov - ide o systémy na optimalizáciu webového obsahu umiestnené na jednej strane kanála prenosu údajov. Takéto systémy využívajú technológie optimalizácie webových stránok, rôzne kompresné štandardy, techniky optimalizácie obrázkov, delta kódovanie a ukladanie do vyrovnávacej pamäte. Umožňujú vám dosiahnuť kompresiu informácií 2-8 krát, v závislosti od obsahu.

Tieto nástroje majú niekoľko výhod v porovnaní s obojsmernými riešeniami a ukladaním do vyrovnávacej pamäte proxy. Ich inštalácia a prevádzka sú výrazne lacnejšie ako obojstranné. Takéto systémy navyše dokážu určiť rýchlosť pripojenia, typ prehliadača, optimalizovať nielen statický, ale aj dynamický obsah pre konkrétneho používateľa.

Nevýhodou jednosmernej kompresie je, že ju možno použiť len na optimalizáciu chodu jednotlivých programov a stránok.

Dnes inžinieri neustále skúmajú, ako zlepšiť výkon a efektivitu sietí. Tím IEEE 802.1Qau vyvíja vylepšené techniky správy na elimináciu straty paketov v dôsledku preťaženia portov, Internet Engineering Task Force vytvára protokol pre odkazová vrstva komunikácia schopná poskytnúť najkratšie možné spojenie pomocou Ethernetu.

Pracuje sa aj na zlepšení vzorkovania údajov na prenos s cieľom rozdeliť nevyužité časti pripojenia pre rôzne triedy prevádzky.

Udržiavanie vysokokvalitných sieťových pripojení je dôležitou výzvou pre dnešné organizácie. To vám umožňuje poskytovať zákazníkom tie najlepšie služby a maximalizovať sieťové zdroje.

Ak vás zaujíma téma optimalizácie procesov prenosu, uchovávania a spracovania údajov, môžete venovať pozornosť niekoľkým ďalším materiálom z nášho blogu.

Zistilo sa, že inžinieri vykonávajúci laboratórne testovanie prepínačov sú najväčšiu hodnotu uveďte jeden parameter - šírku pásma. prečo? Šírka pásma totiž bráni predstavivosti používateľov a sú presvedčení, že práve tento parameter rozhoduje hlavne o tom, či si tento prepínač zaslúži pozornosť.

Nedávne testy 10 Gbps ethernetových prepínačov ukázali, že sa výrazne líšia z hľadiska priepustnosti. Paradoxom je, že čím rýchlejšia sieť, tým menej dôležitá je šírka pásma prepínača.
Tento faktor je, samozrejme, veľmi dôležitý, ale iba v prípadoch, keď je sieť silne zaťažená paketmi. V rovnakom čase latencia (to znamená čas potrebný na prepnutie medzi vstupným a výstupným portom) hrá dôležitú úlohu pre každý typ pohybu paketov, v každej situácii a v každej sieti.
Zariadenia s vysokou latenciou spomaľujú rýchlosť siete – a to sa deje bez ohľadu na to, či je sieť zaťažená o 1 % alebo 100 %. Aby aplikácie „protestovali“, latencie vôbec nemusia byť niekoľko stoviek milisekúnd.
Ak hovoríme o prepínačoch vybavených ethernetovými rozhraniami 1 a 10 Gbps, tak ich oneskorenie sa najčastejšie pohybuje od niekoľkých desiatok do niekoľkých stoviek milisekúnd. Doteraz sa verilo, že oneskorenia niekoľkých desiatok milisekúnd neovplyvňujú výkon sieťových aplikácií.
Toto je čiastočne nesprávne. Aj malé oneskorenia rádovo niekoľko desiatok milisekúnd môžu spôsobiť prudký pokles výkonu sietí Ethernet 1 a 10 Gb/s. „Na vine“ je takpovediac protokol TCP, respektíve okná potrebné pre tento protokol na prenos paketov do siete.
Ako funguje TCP? Odosielateľ posiela obmedzené časti údajov, takže príjemca môže poslať späť informácie potvrdzujúce ich prijatie. Windows poskytuje potvrdenie o prijatí niekoľkých paketov naraz, ale ak odosielateľ nedostane takéto potvrdenie od príjemcu do určitého času, potom musia byť všetky pakety preposlané znova.
Keďže viac ako 80 % prenosov na internete prebieha pomocou protokolov TCP, opakovaný prenos paketov môže viesť k výraznému zníženiu zdravie aplikácie beží v rovnakom prostredí.
Napríklad prepínač E1200 (Force10 Networks) beží v sieti a prijíma 1518 bajtové ethernetové pakety, čo sú najdlhšie možné dĺžky ethernetových paketov, ktoré sa zvyčajne používajú na prenosy veľkých dát. Využitie siete je v tomto bode mierne, do 10 %. Prepínač prijíma 81 274 paketov za sekundu (jeden paket je prijatý za 12 mikrosekúnd).
Vo Windows 2000 a XP je predvolená veľkosť paketu TCP 16 KB. To znamená, že do siete nie je možné odoslať viac ako 11 paketov bez potvrdenia ich prijatia. Pre 11 paketov (každý počítajúci 12 mikrosekúnd) by každé oneskorenie väčšie ako 132 mikrosekúnd znamenalo, že dáta budú odoslané znova.
Nedávne testy 10 Gb ethernetových prepínačov ukázali, že 1518 bajtová latencia je viac ako 40 mikrosekúnd na zariadeniach Avaya a Force10 Networks. Teda jedenásť takýchto oneskorení – a to máme do činenia s paketmi opakovane prenášanými cez protokol TCP. Force10 predstavil svoj prepínač E1200 a oznámil, že latencia bola znížená na polovicu (teraz 23 mikrosekúnd). S takýmito oneskoreniami sa pakety znova prenášajú v sieťach Ethernet 10 Gbit / s a ​​ďalej, ale v sieťach 1 Gbit / s ich už protokol TCP neprenáša. Veľkosť okien sa však mení dynamicky: čím väčšie je okno, tým väčší vplyv majú malé oneskorenia.
Môžete opísať vplyv okna TCP na výkon akejkoľvek siete. Na to potrebujete poznať tri parametre: dĺžku paketu, veľkosť okna TCP a využitie siete.

Inštalácia protokolu TCP/IP

TCP / IP používa IP adresu, masku podsiete a predvolenú bránu na pripojenie k hostiteľom. TCP / IP hostitelia na WAN vyžadujú nastavenie všetkých troch parametrov v konfigurácii. Každá karta sieťového adaptéra v počítači používajúcom protokol TCP / IP vyžaduje tieto parametre.

IP adresa je logická 32-bitová adresa, ktorá jednoznačne identifikuje TCP/IP hostiteľa. Každá IP adresa má dve časti: ID siete a ID hostiteľa. Prvý slúži na označenie všetkých uzlov v jednej fyzickej sieti. Druhý označuje konkrétny uzol v sieti. Každý počítač využívajúci TCP/IP potrebuje jedinečnú IP adresu, napríklad 194.103.2.200.

Maska podsiete oddeľuje časť adresy IP a umožňuje protokolu TCP/IP rozlíšiť ID siete od ID hostiteľa. Pri pokuse o komunikáciu hostitelia TCP/IP používajú masku podsiete (napríklad 255.255.255.0), aby určili, či je prijímajúci hostiteľ v lokálnej alebo vzdialenej sieti.

Ak sa chcete pripojiť k hostiteľovi v inej sieti, musíte nakonfigurovať adresu IP predvolenej brány. TCP / IP posiela pakety určené pre vzdialené siete na predvolenú bránu, ale iba v prípade, že na lokálnom hostiteľovi nie je nakonfigurovaná iná trasa do cieľovej siete. Ak nenakonfigurujete predvolenú bránu, komunikácia môže byť obmedzená na lokálnu sieť.

Prejdite do ovládacieho panela a potom do časti „Sieť“. Ak TCP / IP nie je v zozname nainštalovaných sieťových protokolov, musíte ho nainštalovať. Potom vyberte TCP / IP a kliknite na tlačidlo "Vlastnosti". Ak je váš počítač vo veľkej sieti, musíte sa uistiť, že informácie o názve počítača, doméne a IP adrese nie sú v konflikte so sieťou. Na rozdiel od IP adresy a masky podsiete je predvolená brána voliteľná. Ak to vynecháte, oblasť vášho počítača bude obmedzená na lokálnu sieť.

11.04.2007 17:46

Rôzne prístupy vykonávať komutáciu
Vo všeobecnosti ide o riešenie každej z konkrétnych prepínacích úloh - určovanie tokov a zodpovedajúcich trás, fixovanie trás v konfiguračných parametroch a tabuľkách sieťových zariadení, rozpoznávanie tokov a prenos dát medzi rozhraniami jedného zariadenia, multiplexovanie / demultiplexovanie tokov a delenie prenosové médium - úzko súvisí s riešením všetkého ostatného. Komplex technických riešení pre všeobecný problém spínania v súhrne tvorí základ každej sieťovej technológie. Z akého mechanizmu na kladenie trás, zasielanie údajov a zdieľanie komunikačné kanály sú zabudované do konkrétnej sieťovej technológie, od ktorej závisia jej základné vlastnosti.

Medzi mnohými možnými prístupmi k riešeniu problému prepínania účastníkov v sieťach sa rozlišujú dva základné:

prepínanie okruhov;

prepínanie paketov

Navonok obe tieto schémy zodpovedajú schéme znázornenej na obr. 1 k štruktúre siete, ich možnosti a vlastnosti sú však odlišné.

Ryža. 1. Všeobecná štruktúra siete prepínania účastníkov

Okruhovo prepínané siete majú bohatšiu históriu, pochádzali z prvých telefónnych sietí. Siete s prepínaním paketov sú relatívne mladé, objavili sa koncom 60. rokov ako výsledok experimentov s prvými globálnymi počítačovými sieťami. Každá z týchto schém má svoje výhody a nevýhody, ale podľa dlhodobých predpovedí mnohých špecialistov patrí budúcnosť technológii prepínania paketov, pretože je flexibilnejšia a univerzálnejšia.

Prepínanie kanálov
Pri prepínaní kanálov tvorí prepínacia sieť súvislý kompozitný fyzický kanál medzi koncovými uzlami z medzikanálových sekcií zapojených do série prepínačmi. Podmienkou, že niekoľko fyzických kanálov tvorí jeden fyzický kanál v sériovom spojení, je rovnosť rýchlostí prenosu dát v každom z jednotlivých fyzických kanálov. Rovnosť rýchlostí znamená, že prepínače takejto siete nemusia vyrovnávať prenášané dáta.

V sieti s prepájaním okruhov je pred prenosom dát vždy potrebné vykonať procedúru nadviazania spojenia, počas ktorej sa vytvorí zreťazený kanál. A až potom môžete začať prenášať dáta.

Napríklad, ak sieť znázornená na obr. 1, pracuje pomocou technológie prepínania okruhov, potom uzol 1, aby mohol preniesť dáta do uzla 7, musí najprv odoslať špeciálnu požiadavku na vytvorenie spojenia s prepínačom A s uvedením cieľovej adresy 7. Prepínač A musí zvoliť cestu formovania zreťazené spojenie a potom odošle požiadavku ďalšiemu prepínaču, v tomto prípade E. Potom prepínač E odošle požiadavku prepínaču F, ktorý následne odošle požiadavku uzlu 7. Ak uzol 7 dostane požiadavku na vytvorenie spojenie, odošle odpoveď pôvodnému uzlu na už vytvorenom kanáli, po ktorej sa zreťazený kanál považuje za prepojený a uzly 1 a 7 si cezň môžu vymieňať dáta.

Ryža. 2. Vytvorenie zloženého kanála

Technika prepínania okruhov má svoje výhody a nevýhody.

Výhody prepínania kanálov

Konštantná a známa rýchlosť prenosu dát cez kanál vytvorený medzi koncovými uzlami. To dáva užívateľovi siete možnosť, na základe vopred vykonaného odhadu šírky pásma potrebnej na vysokokvalitný prenos dát, vytvoriť v sieti kanál s požadovanou rýchlosťou.

Nízka a konzistentná latencia siete. To umožňuje vysokokvalitný prenos dát, citlivý na oneskorenia (nazývaný aj prenos v reálnom čase) – hlas, video, rôzne technologické informácie.

Nevýhody prepínania okruhov

Požiadavka odmietnutia služby na vytvorenie spojenia. Takáto situácia môže nastať v dôsledku skutočnosti, že v niektorej časti siete musí byť spojenie vytvorené pozdĺž kanála, ktorým už prechádza maximálny možný počet informačných tokov. Zlyhanie môže nastať aj na konci zreťazeného kanála - napríklad, ak je predplatiteľ schopný podporovať iba jedno pripojenie, čo je typické pre mnohé telefónne siete. Keď príde druhý hovor k už hovoriacemu účastníkovi, sieť ho odošle volajúcemu krátke pípnutia- obsadzovací signál.

Iracionálne využitie šírky pásma fyzických kanálov. Časť šírky pásma, ktorá je zreťazenému kanálu pridelená po nadviazaní spojenia, je mu poskytovaná po celý čas, t.j. kým sa spojenie neukončí. Predplatitelia však počas pripojenia nepotrebujú vždy šírku pásma kanála, napríklad v telefonickom rozhovore môžu byť prestávky, interakcia počítačov je ešte nerovnomernejšia v čase. Nemožnosť dynamickej redistribúcie šírky pásma je zásadným obmedzením siete s prepojovaním okruhov, keďže spínacia jednotka je tu tok informácií všeobecne.

Povinné oneskorenie pred prenosom údajov z dôvodu fázy nadviazania spojenia.
Výhody a nevýhody akejkoľvek sieťovej technológie sú relatívne. V určité situácie výhody sa dostávajú do popredia a nevýhody sa stávajú bezvýznamnými. Technika prepínania okruhov teda funguje dobre v prípadoch, keď je potrebné prenášať iba prevádzku. telefonické rozhovory... Tu sa môžete zmieriť s nemožnosťou „vystrihnutia“ prestávok z konverzácie a racionálnejším využívaním fyzických kanálov kmeňa medzi prepínačmi. Ale pri prenose veľmi nerovnomernej počítačovej prevádzky sa táto iracionalita už dostáva do popredia.

Prepínanie paketov
Táto technika prepínania bola špeciálne navrhnutá na efektívny prenos počítačovej prevádzky. Prvé kroky k vytvoreniu počítačových sietí založených na technológii prepínania okruhov ukázali, že tento typ prepínania neumožňuje dosiahnuť veľkú celkovú šírku pásma siete. Typické sieťové aplikácie generovať prenos veľmi nerovnomerne s vysokým zvlnením dátovej rýchlosti. Napríklad pri prístupe na vzdialený súborový server si používateľ najprv prezerá obsah adresára tohto servera, čo generuje prenos malého množstva dát. Potom otvorí požadovaný súbor textový editor a táto operácia môže vytvoriť pomerne intenzívnu výmenu údajov, najmä ak súbor obsahuje veľké grafické inklúzie. Po zobrazení niekoľkých stránok súboru s nimi používateľ nejaký čas pracuje lokálne, čo si vôbec nevyžaduje prenos dát po sieti a následne upravené kópie stránok vráti na server – a to opäť generuje intenzívne dáta prenos cez sieť.

Pomer zvlnenia prevádzky jednotlivého používateľa siete, ktorý sa rovná pomeru priemernej rýchlosti výmeny dát k maximálnej možnej hodnote, môže dosiahnuť 1:50 alebo dokonca 1:100. Ak pre opísanú reláciu organizujete prepínanie kanála medzi počítačom používateľa a serverom, potom bude kanál väčšinu času nečinný. Zároveň budú prepínacie schopnosti siete priradené tejto dvojici účastníkov a budú neprístupné pre ostatných používateľov siete.

Pri prepínaní paketov sú všetky správy prenášané používateľom rozdelené v zdrojovom uzle na relatívne malé časti nazývané pakety. Pripomeňme, že správa je logicky vyplnený údaj – požiadavka na prenos súboru, odpoveď na túto požiadavku obsahujúca celý súbor atď. Správy môžu mať ľubovoľnú dĺžku, od niekoľkých bajtov po mnoho megabajtov. Naproti tomu balíčky môžu mať zvyčajne tiež variabilná dĺžka, ale v úzkych medziach, napríklad od 46 do 1500 bajtov. Každý paket je dodávaný s hlavičkou, ktorá označuje informácie o adrese potrebné na doručenie paketu do cieľového uzla, ako aj číslo paketu, ktoré cieľový uzol použije na zostavenie správy (obrázok 3). Pakety sú prenášané po sieti ako nezávislé bloky informácií. Sieťové prepínače prijímajú pakety z koncových uzlov a na základe informácií o adrese ich prenášajú medzi sebou a v konečnom dôsledku do cieľového uzla.

Ryža. 3. Rozdelenie správy na pakety

Prepínače paketovej siete sa líšia od kanálových prepínačov tým, že majú vnútornú vyrovnávaciu pamäť na dočasné uloženie paketov, ak je výstupný port prepínača v čase prijatia paketu zaneprázdnený vysielaním ďalšieho paketu (obr. 3). V tomto prípade je paket nejaký čas vo fronte paketov vo vyrovnávacej pamäti výstupného portu a keď ho front dosiahne, je preposlaný na ďalší prepínač. Takáto schéma prenosu dát umožňuje vyhladenie zvlnenia prevádzky na chrbticových linkách medzi prepínačmi a tým ich najefektívnejšie využitie na zvýšenie priepustnosti siete ako celku.

V skutočnosti by pre dvojicu účastníkov bolo najefektívnejšie poskytnúť im komutovaný komunikačný kanál na výhradné použitie, ako sa to robí v sieťach s prepájaním okruhov. V tomto prípade by bol interakčný čas tohto páru účastníkov minimálny, pretože dáta by boli prenášané od jedného účastníka k druhému bez oneskorenia. Predplatitelia sa nezaujímajú o výpadky kanála počas prestávok prenosu, je dôležité, aby svoj problém vyriešili rýchlejšie. Sieť s prepínaním paketov spomaľuje proces interakcie konkrétneho páru účastníkov, pretože ich pakety môžu čakať v prepínačoch, zatiaľ čo ostatné pakety, ktoré prišli do prepínača skôr, sa prenášajú po chrbticových linkách.

Napriek tomu celkové množstvo počítačových dát prenášaných sieťou za jednotku času pri technike prepínania paketov bude vyššie ako pri technike prepínania okruhov. Je to kvôli vlneniu jednotlivých predplatiteľov v súlade so zákonom veľkých čísel sú rozložené v čase tak, aby sa ich vrcholy nezhodovali. Preto sú prepínače neustále a pomerne rovnomerne zaťažené prácou, ak je počet účastníkov, ktorí obsluhujú, skutočne veľký. Na obr. 4 ukazuje, že prevádzka z koncových uzlov na prepínače je v čase veľmi nerovnomerne rozložená. Prepínače na vyššej úrovni v hierarchii, ktoré obsluhujú spojenia medzi nižšími prepínačmi, sú však zaťažené rovnomernejšie a tok paketov na chrbticových sieťach spájajúcich horné prepínače má takmer maximálne využitie. Ukladanie do vyrovnávacej pamäte vyhladzuje zvlnenie, takže pomer zvlnenia na diaľkových kanáloch je oveľa nižší ako na kanáloch s prístupom predplatiteľov – môže to byť 1:10 alebo dokonca 1:2.

Ryža. 4. Vyhladenie zvlnenia prevádzky v sieti s prepínaním paketov

Vyššia efektívnosť paketovo prepájaných sietí v porovnaní so sieťami s prepájaním okruhov (s rovnakou šírkou pásma komunikačných kanálov) bola preukázaná v 60. rokoch experimentálne aj pomocou simulácie. Tu je vhodná analógia s viacprogramovými operačnými systémami. Spustenie každého jednotlivého programu v takomto systéme trvá dlhšie ako v systéme s jedným programom, keď je programu pridelený celý čas procesora, kým nie je dokončený. Celkový počet programov vykonaných za jednotku času je však väčší v systéme s viacerými programami ako v systéme s jedným programom.
Sieť s prepínaním paketov spomaľuje interakciu konkrétneho páru účastníkov, ale zvyšuje šírku pásma siete ako celku.

Latencia zdroja prenosu:

čas na prenos hlavičiek;

oneskorenia spôsobené intervalmi medzi prenosom každého ďalšieho paketu.

Oneskorenia v každom prepínači:

čas ukladania paketov do vyrovnávacej pamäte;

spínací čas, ktorý pozostáva z:

• čas čakania na paket vo fronte (premenný);

  čas na presun paketu na výstupný port.

Výhody prepínania paketov

Vysoká celková šírka pásma siete s nárazovou prevádzkou.

Schopnosť dynamicky prerozdeľovať šírku pásma fyzických komunikačných kanálov medzi účastníkmi v súlade so skutočnými potrebami ich prevádzky.

Nevýhody prepínania paketov

Neistota rýchlosti prenosu dát medzi účastníkmi siete v dôsledku skutočnosti, že oneskorenia vo vyrovnávacích radoch sieťových prepínačov závisia od celkového zaťaženia siete.

Premenná hodnota oneskorenia dátových paketov, ktorá môže byť pomerne dlhá v momentoch okamžitého preťaženia siete.

Potenciálna strata údajov v dôsledku pretečenia vyrovnávacej pamäte.
V súčasnosti sa aktívne vyvíjajú a implementujú metódy na prekonanie týchto nevýhod, ktoré sú obzvlášť akútne pre prevádzku citlivú na oneskorenie, ktorá si vyžaduje konštantnú prenosovú rýchlosť. Takéto techniky sa nazývajú techniky kvality služby (QoS).

Siete s prepínaním paketov, v ktorých sú implementované metódy zabezpečenia kvality služby, umožňujú simultánny prenos rôznych druhov prevádzky, vrátane takých dôležitých, ako je telefón a počítač. Preto sa dnes metódy prepínania paketov považujú za najsľubnejšie na budovanie konvergovanej siete, ktorá bude poskytovať komplexné vysokokvalitné služby pre predplatiteľov akéhokoľvek typu. Nemožno však tiež vylúčiť spôsoby prepínania okruhov. Dnes úspešne fungujú nielen v tradičných telefónnych sieťach, ale sú tiež široko používané na vytváranie vysokorýchlostných trvalých spojení v takzvaných primárnych (chrbticových) sieťach technológií SDH a ​​DWDM, ktoré sa používajú na vytváranie hlavných fyzických kanálov medzi prepínačmi. telefónnych alebo počítačových sietí. V budúcnosti je celkom možné, že sa objavia nové technológie prepínania, v tej či onej forme kombinujúce princípy prepínania paketov a kanálov.

Prepínanie správ
Prepínanie správ je vo svojich princípoch blízke prepínaniu paketov. Prepínanie správ je chápané ako prenos jedného bloku dát medzi tranzitnými počítačmi siete s dočasným ukladaním tohto bloku na disk každého počítača. Správa, na rozdiel od paketu, má ľubovoľnú dĺžku, ktorá nie je určená technologickými úvahami, ale obsahom informácií, ktoré správu tvoria.

Tranzitné počítače môžu byť vzájomne prepojené sieťou s prepínaním paketov aj sieťou s prepínaním okruhov. Správa (môže to byť napr. textový dokument, súbor s kódom programu, email) je uložený v tranzitnom počítači na disku a pomerne dlho, ak je počítač zaneprázdnený inou prácou alebo je sieť dočasne preťažená.

Tento vzor sa zvyčajne používa pre správy, ktoré nevyžadujú okamžitú odpoveď, najčastejšie e-maily. Režim prenosu typu store-and-forward sa nazýva režim store-and-forward.

Prepínanie správ uvoľňuje zaťaženie siete v súvislosti s prevádzkou s rýchlou odozvou, ako je prevádzka WWW alebo súborových služieb.

Zvyčajne sa snažia znížiť počet tranzitných počítačov. Ak sú počítače pripojené k sieti s prepínaním paketov, počet medziľahlých počítačov sa zníži na dva. Používateľ napríklad odošle e-mailovú správu na svoj server odchádzajúcej pošty, ktorý sa ju okamžite pokúsi preposlať na server prichádzajúcej pošty príjemcu. Ak sú však počítače prepojené telefónnou sieťou, často sa používa niekoľko medziľahlých serverov, pretože priamy prístup na konečný server nemusí byť v súčasnosti možný z dôvodu preťaženia telefónnej siete (účastník je zaneprázdnený) alebo je ekonomicky nerentabilný z dôvodu vysoké tarify za medzimestské telefónne spojenie.

Technológia prepínania správ sa objavila v počítačových sieťach skôr ako technológia prepínania paketov, ale potom bola nahradená druhou, ako efektívnejšia z hľadiska šírky pásma siete. Zápis správy na disk zaberie veľa času a navyše prítomnosť diskov predpokladá použitie špecializovaných počítačov ako prepínačov, čo znamená značné náklady pre vytváranie sietí.
Prepínanie správ dnes funguje len pre niektoré neprevádzkové služby, najčastejšie cez sieť s prepínaním paketov, ako služba na aplikačnej vrstve.

Porovnanie spínacích metód

Porovnanie prepínania okruhov a prepájania paketov

Prepínanie kanálov	Prepínanie paketov
Zaručená šírka pásma (šírka pásma) pre interagujúcich účastníkov	Šírka pásma siete pre účastníkov je neznáma, oneskorenia prenosu sú náhodné.
Sieť môže odmietnuť nadviazať spojenie s účastníkom	Sieť je vždy pripravená prijímať dáta od účastníka
Prevádzka v reálnom čase sa prenáša bez oneskorenia	Sieťové zdroje sa efektívne využívajú pri prenose nárazovej prevádzky
Adresa sa používa iba vo fáze vytvárania spojenia	Adresa sa prenáša s každým paketom

Trvalé a dynamické spínanie

Siete s prepínaním paketov aj siete s prepínaním okruhov možno rozdeliť do dvoch tried:

siete s dynamickým prepínaním;

siete s trvalým prepínaním.

V sieťach s dynamickým prepínaním:

je povolené nadviazať spojenie z iniciatívy užívateľa siete;

prepínanie sa vykonáva iba počas trvania komunikačnej relácie a potom sa (na podnet jedného z používateľov) ukončí;

vo všeobecnosti sa používateľ siete môže pripojiť k akémukoľvek inému používateľovi siete;

doba spojenia medzi dvojicou užívateľov s dynamickým prepínaním sa pohybuje od niekoľkých sekúnd až po niekoľko hodín a končí po vykonaní určitej úlohy - prenos súboru, prezretie stránky textu alebo obrázku a pod.

Príklady sietí, ktoré podporujú dynamické prepínanie sú telefónnych sietí všeobecné použitie, lokálne siete, TCP/IP siete.

Sieť s trvalým prepínaním:

umožňuje dvojici používateľov objednať si pripojenie k dlhé obdobiečas;

spojenie nevytvárajú používatelia, ale personál obsluhujúci sieť;

doba, na ktorú sa zavedie trvalá zmena, je zvyčajne niekoľko mesiacov;

režim trvalého (permanentného) prepínania v sieťach s prepínaním okruhov sa často nazýva služba vyhradených alebo prenajatých kanálov;

keď sa trvalé spojenie cez sieť prepínačov vytvorí pomocou automatizovaných postupov iniciovaných servisným personálom, často sa to označuje ako semipermanentné pripojenie, na rozdiel od ručnej konfigurácie každého prepínača.

Najpopulárnejšie siete pracujúce v režime neustáleho prepínania sú dnes siete technológie SDH, na základe ktorých sú vybudované vyhradené komunikačné kanály so šírkou pásma niekoľko gigabitov za sekundu.

Niektoré typy sietí podporujú oba režimy prevádzky. Napríklad siete X.25 a ATM môžu používateľovi poskytnúť možnosť dynamicky komunikovať s ktorýmkoľvek iným používateľom v sieti a zároveň odosielať dáta cez trvalé pripojenie konkrétnemu účastníkovi.

Šírka pásma s prepínaním paketov
Jedným z rozdielov medzi metódou prepínania paketov a metódou prepínania okruhov je neistota šírky pásma spojenia medzi dvoma účastníkmi. V prípade prepínania kanálov po vytvorení zloženého kanála je šírka pásma siete pri prenose dát medzi koncovými uzlami známa - toto je šírka pásma kanála. Po oneskorení spojenom s vytvorením kanála sa dáta začnú prenášať maximálnou rýchlosťou pre kanál (obr. 5). Čas prenosu správy v sieti s prepojovaním okruhov Tk. sa rovná súčtu oneskorenia šírenia signálu po komunikačnej linke a oneskorenia prenosu správy. Oneskorenie šírenia signálu závisí od rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn v konkrétnom fyzické prostredie, ktorá sa pohybuje od 0,6 do 0,9 rýchlosti svetla vo vákuu. Čas prenosu správy je V / C, kde V je objem správy v bitoch a C je šírka pásma kanála v bitoch za sekundu.

V sieti s prepínaním paketov je obraz celkom odlišný.

Ryža. 5 Oneskorenia prenosu údajov v sieťach s prepájaním okruhov.

Postup nadviazania spojenia v týchto sieťach, ak je použitý, trvá približne rovnako dlho ako v okruhovo prepájaných sieťach, preto budeme porovnávať len čas prenosu dát.

Ryža. 6. Oneskorenia prenosu dát v sieťach s prepínaním paketov.

Na obr. 6 je znázornený príklad prenosu dát v sieti s prepínaním paketov. Predpokladá sa, že cez sieť sa prenáša správa rovnakej veľkosti ako správa prenášaná na obr. 5. je však rozdelený na pakety, každý s hlavičkou. Čas prenosu správy v sieti s prepínaním paketov je znázornený na obrázku Tk.p. Pri prenose tejto správy založenej na paketoch cez sieť s prepínaním paketov dochádza k dodatočným oneskoreniam. Jednak sú to oneskorenia v zdroji prenosu, ktorý okrem prenosu samotnej správy trávi dodatočný čas na prenos hlavičiek tc, okrem toho sa pridávajú oneskorenia, spôsobené intervalmi medzi prenosom každého ďalšieho paketu. (tento čas je vynaložený na vytvorenie ďalšieho zásobníka paketových protokolov).

Po druhé, pri každom prepínači sa strávi čas navyše. Tu sú oneskorenia súčtom času vyrovnávacej pamäte paketu tb.p. (prepínač nemôže začať vysielať paket bez jeho úplného prijatia do svojej vyrovnávacej pamäte) a čas prepnutia tk. Čas ukladania do vyrovnávacej pamäte sa rovná času prijatia paketu s bitovou rýchlosťou protokolu. Čas prepnutia je súčet času čakania na paket vo fronte a času, ktorý trvá, kým paket prejde na výstupný port. Ak je čas prechodu paketu pevný a spravidla krátky (od niekoľkých mikrosekúnd do niekoľkých desiatok mikrosekúnd), potom sa čas čakania na paket vo fronte pohybuje vo veľmi širokom rozmedzí a nie je vopred známy, pretože závisí od aktuálneho zaťaženia siete.

Urobme hrubý odhad oneskorenia prenosu dát v sieťach s prepájaním paketov v porovnaní so sieťami s prepájaním okruhov na najjednoduchšom príklade. Testovacia správa na prenos v oboch typoch sietí nech má objem 200 KB. Odosielateľ je vo vzdialenosti 5000 km od príjemcu. Priepustnosť komunikačných liniek je 2 Mbit/s.

Čas prenosu dát po sieti s prepojovaním okruhov je súčtom času šírenia signálu, ktorý na vzdialenosť 5000 km možno odhadnúť na cca 25 ms (za predpokladu, že rýchlosť šírenia signálu sa rovná 2/3 rýchlosti svetla) a čas prenosu správy, ktorý pri šírke pásma 2 Mbit/ca dĺžke správy 200 kB je približne 800 ms. Pri výpočte správnej hodnoty K (210), ktorá sa rovná 1024, bola zaokrúhlená na 1000, podobne hodnota M (220), ktorá sa rovná 1048576, bola zaokrúhlená nahor na 1 000 000. Prenos dát sa teda odhaduje na 825 ms .

Je jasné, že keď sa táto správa prenáša cez sieť s prepínaním paketov s rovnakou celkovou dĺžkou a šírkou pásma kanálov bežiacich od odosielateľa k prijímaču, čas šírenia signálu a čas prenosu dát budú rovnaké - 825 ms. Avšak kvôli oneskoreniam v medziľahlých uzloch sa celkový čas prenosu dát zvýši. Odhadnime, o koľko sa tento čas zvýši. Predpokladajme, že cesta od odosielateľa k prijímaču vedie cez 10 prepínačov. Nechajte pôvodnú správu rozdeliť na 1 KB pakety, čo predstavuje celkom 200 paketov. Najprv odhadnime oneskorenie, ktoré nastane v pôvodnom uzle. Predpokladajme, že podiel servisných informácií umiestnených v hlavičkách paketov vo vzťahu k celkovému objemu správ je 10 %. Preto dodatočné oneskorenie spojené s prenosom hlavičiek paketov je 10 % času prenosu celej správy, to znamená 80 ms. Ak vezmeme interval medzi odosielaním paketov rovný 1 ms, ďalšie straty v dôsledku intervalov budú 200 ms. V pôvodnom uzle teda došlo k ďalšiemu oneskoreniu 280 ms v dôsledku paketizácie správy počas prenosu.

Každý z 10 prepínačov predstavuje latenciu prepínania, ktorá sa môže pohybovať od zlomkov až po tisíce milisekúnd. V tomto príklade budeme predpokladať, že prepínanie trvá v priemere 20 ms. Okrem toho dochádza k oneskoreniu ukladania paketov, keď správy prechádzajú cez prepínač. Toto oneskorenie pre veľkosť paketu 1 KB a priepustnosť linky 2 Mbps je 4 ms. Celková latencia zavedená 10 prepínačmi je približne 240 ms. V dôsledku toho bolo dodatočné oneskorenie zavedené sieťou s prepínaním paketov 520 ms. Vzhľadom na to, že celý prenos dát v okruhovo prepínanej sieti trval 825 ms, možno toto dodatočné oneskorenie považovať za významné.

Aj keď je tento výpočet veľmi hrubý, vysvetľuje, prečo je prenosový proces pre daný pár účastníkov v sieti s prepájaním paketov pomalší ako v sieti s prepájaním okruhov.

Neistá šírka pásma siete s prepínaním paketov je cenou, ktorú treba zaplatiť za jej celkovú efektívnosť, s určitým zásahom do záujmov jednotlivých účastníkov. Podobne v operačnom systéme s viacerými softvérmi nemožno predpovedať čas vykonania aplikácie, pretože závisí od počtu iných aplikácií, s ktorými túto aplikáciu rozdeľuje procesor.

Efektívnosť siete je ovplyvnená veľkosťou paketov prenášaných sieťou. Príliš veľké veľkosti paketov približujú sieť s prepínaním paketov k sieti s prepínaním okruhov, takže účinnosť siete klesá. Okrem toho veľké veľkosti paketov zvyšujú čas ukladania do vyrovnávacej pamäte na každom prepínači. Príliš malé pakety výrazne zvyšujú podiel réžie, pretože každý paket obsahuje hlavičku s pevnou dĺžkou a počet paketov, do ktorých sú správy rozdelené, sa bude dramaticky zvyšovať s klesajúcou veľkosťou paketu. Existuje určitý „zlatý priemer“, keď je zabezpečená maximálna účinnosť siete, ale tento pomer je ťažké presne určiť, pretože závisí od mnohých faktorov, vrátane tých, ktoré sa menia počas prevádzky siete. Preto vývojári protokolov pre siete s prepínaním paketov volia limity, v ktorých môže byť veľkosť paketu, alebo skôr jeho dátové pole, pretože hlavička má spravidla pevnú dĺžku. Zvyčajne sa spodná hranica dátového poľa volí rovná nule, čo umožňuje prenášať pakety služieb bez užívateľských dát a horná hranica nepresahuje 4 KB. Pri prenose dát sa aplikácie snažia obsadiť maximálnu veľkosť dátového poľa, aby bola výmena dokončená rýchlejšie a malé pakety sa zvyčajne používajú na krátke servisné správy obsahujúce napríklad potvrdenie o doručení paketu.

Pri výbere veľkosti paketu musíte zvážiť aj bitovú chybovosť kanála. Na nespoľahlivých linkách je potrebné zmenšiť veľkosti paketov, pretože sa tým zníži množstvo opakovane prenášaných dát v prípade skreslenia paketov.
Ethernet je príkladom štandardnej technológie prepínania paketov

Uvažujme, ako sú vyššie opísané všeobecné prístupy k riešeniu problémov budovania sietí stelesnené v najpopulárnejšej sieťovej technológii - Ethernete. (Upozorňujeme, že sa teraz nebudeme podrobne zaoberať samotnou technológiou - túto dôležitú otázku odložíme na ďalší kurz a dnes sa zastavíme iba pri niektorých zásadných bodoch, ktoré ilustrujú množstvo už uvažovaných základných pojmov.)
Sieťová technológia je konzistentný súbor štandardných protokolov a firmvéru (napríklad sieťové adaptéry, ovládače, káble a konektory), ktorý je dostatočný na vybudovanie počítačovej siete.

Epiteton „dostatočný“ zdôrazňuje skutočnosť, že hovoríme o minimálnej sade nástrojov, pomocou ktorých môžete vybudovať fungujúcu sieť. Túto sieť je možné vylepšiť napríklad vyčlenením podsietí v nej, čo si hneď bude vyžadovať okrem štandardných ethernetových protokolov aj použitie IP protokolu a tiež špeciálne komunikačné zariadenia – smerovače. Vylepšená sieť bude s najväčšou pravdepodobnosťou spoľahlivejšia a rýchlejšia, no na úkor doplnkov k technológii Ethernet, ktorá tvorila základ siete.

Pojem „sieťová technológia“ sa najčastejšie používa v užšom zmysle opísanom vyššie, ale niekedy sa jeho rozšírený výklad používa aj ako akýkoľvek súbor nástrojov a pravidiel na budovanie siete, napríklad „technológia smerovania end-to-end“, „technológia vytvárania bezpečného kanála“, „technológia IP sietí“.

Protokoly, na základe ktorých je vybudovaná sieť určitej technológie (v užšom zmysle), boli vytvorené špeciálne pre spoluprácu, preto sa od vývojára siete nevyžaduje žiadne ďalšie úsilie na organizáciu ich interakcie. Niekedy sa sieťové technológie nazývajú základné technológie, čo znamená, že na ich základe je postavená základňa akejkoľvek siete. Príklady základných sieťových technológií zahŕňajú spolu s Ethernetom také dobre známe technológie lokálne siete ako Token Ring a FDDI alebo X.25 LAN a technológie frame relay. Na získanie fungujúcej siete v tomto prípade stačí zakúpiť softvér a hardvér súvisiaci s jednou základnou technológiou - sieťové adaptéry s ovládačmi, rozbočovačmi, prepínačmi, kabelážou atď. - a pripojiť ich v súlade s požiadavkami normy na tento účel. technológie.

Sieťová technológia Ethernet sa teda vyznačuje:

prepínanie paketov;

typická topológia "spoločná zbernica";

ploché numerické adresovanie;

zdieľané prenosové médium.

Základným princípom Ethernetu je náhodný spôsob prístupu k zdieľaným médiám. Týmto médiom môže byť hrubý alebo tenký koaxiálny kábel, krútená dvojlinka, optické vlákno alebo rádiové vlny (mimochodom, prvou sieťou postavenou na princípe náhodného prístupu k zdieľanému médiu bola rádiová sieť Aloha Havajskej univerzity).

V ethernetovom štandarde je topológia elektrických spojení prísne fixná. Počítače sú pripojené k zdieľanému prostrediu v súlade s typickou štruktúrou zdieľanej zbernice (obrázok 7). Pomocou časovo zdieľanej zbernice si môžu ľubovoľné dva počítače vymieňať dáta. Riadenie prístupu ku komunikačnej linke je vykonávané špeciálnymi ovládačmi - ethernetovými sieťovými adaptérmi. Každý počítač, alebo skôr každý sieťový adaptér, má jedinečnú adresu. Prenos dát prebieha rýchlosťou 10 Mbps. Táto hodnota je šírka pásma siete Ethernet.

Ryža. 7. Ethernetová sieť.

Podstata metódy náhodného prístupu je nasledovná. Počítač v ethernetovej sieti môže prenášať dáta cez sieť len vtedy, ak je sieť voľná, teda ak si žiadny iný počítač práve nevymieňa dáta. Dôležitou súčasťou technológie Ethernet je preto postup zisťovania dostupnosti média.

Po tom, čo sa počítač uistí, že je sieť voľná, začne vysielať a zároveň „unesie“ médium. Čas výhradného používania zdieľaného média jedným uzlom je obmedzený časom prenosu jedného rámca. Rámec je jednotka údajov, ktoré si vymieňajú počítače v sieti Ethernet. Rámec má pevný formát a spolu s dátovým poľom obsahuje rôzne servisné informácie, napríklad adresu príjemcu a adresu odosielateľa.

Sieť Ethernet je navrhnutá tak, že keď rámec vstúpi na zdieľané médium na prenos dát, všetky sieťové adaptéry začnú súčasne prijímať tento rámec. Všetky analyzujú cieľovú adresu umiestnenú v jednom z počiatočných polí rámca a ak sa táto adresa zhoduje s ich vlastnou, rámec sa umiestni do vnútornej vyrovnávacej pamäte sieťového adaptéra. Cieľový počítač tak dostane údaje, ktoré sú mu určené.

Môže nastať situácia, keď sa niekoľko počítačov súčasne rozhodne, že sieť je voľná a začne prenášať informácie. Táto situácia, nazývaná kolízia, bráni správnemu prenosu dát cez sieť. Ethernetový štandard poskytuje algoritmus na detekciu a správne riešenie kolízií. Pravdepodobnosť kolízie závisí od množstva sieťovej prevádzky.

Po zistení kolízie sieťové adaptéry, ktoré sa pokúsili preniesť svoje rámce, prestanú vysielať a po pauze s náhodnou dĺžkou sa opäť pokúsia o prístup k médiu a prenesenie rámca, ktorý kolíziu spôsobil.

Kľúčové výhody technológie Ethernet
1. Hlavnou výhodou ethernetových sietí, vďaka ktorým sú také populárne, je ich nákladová efektívnosť. Na vybudovanie siete stačí mať jeden sieťový adaptér pre každý počítač plus jeden fyzický segment koaxiálneho kábla požadovanej dĺžky.
2. Okrem toho ethernetové siete implementovali dosť jednoduché algoritmy prístup k médiu, adresovanie a prenos údajov. Jednoduchosť logiky siete vedie k zjednodušeniu, a teda k zníženiu nákladov na sieťové adaptéry a ich ovládače. Z rovnakého dôvodu sú ethernetové adaptéry vysoko spoľahlivé.
3. A napokon ďalšou pozoruhodnou vlastnosťou ethernetových sietí je ich dobrá škálovateľnosť, teda schopnosť spájať nové uzly.

Iné základné sieťové technológie ako Token Ring a FDDI, hoci sa líšia svojim charakterom, majú veľa spoločného s Ethernetom. V prvom rade ide o využitie bežných pevných topológií („hierarchická hviezda“ a „prsteň“), ako aj zdieľaných médií na prenos dát. Výrazné rozdiely jednej technológie od druhej súvisia so zvláštnosťami použitého spôsobu prístupu do zdieľaného prostredia. Takže rozdiely medzi technológiou Ethernet a Tokenové technológie Kruhy sú do značnej miery určené špecifikami metód separácie médií, ktoré sú v nich zabudované - náhodný algoritmus pre prístup k Ethernetu a metóda prístupu odovzdaním tokenu v Token Ring.

Prenos datagramov

V sieťach s prepínaním paketov sa dnes používajú dve triedy mechanizmov prenosu paketov:

prenos datagramov;

virtuálne kanály.

Príkladmi sietí, ktoré implementujú mechanizmus prenosu datagramov, sú Ethernet, IP a IPX. Siete X.25, frame relay a ATM prenášajú dáta cez virtuálne okruhy. Najprv zvážime základné princípy datagramový prístup.

Datagramový spôsob prenosu dát je založený na skutočnosti, že všetky prenášané pakety sú spracovávané nezávisle na sebe, paket po pakete. To, či balík patrí do konkrétneho toku medzi dvoma koncovými uzlami a dvoma aplikáciami spustenými na týchto uzloch, sa žiadnym spôsobom nezohľadňuje.

Ďalší skok – napríklad ethernetový prepínač alebo smerovač IP/IPX – sa vyberá výlučne na základe cieľovej adresy hostiteľa obsiahnutej v hlavičke paketu. Rozhodnutie o tom, na ktorý uzol poslať prichádzajúci paket, sa robí na základe tabuľky obsahujúcej množinu cieľových adries a informácií o adresách, ktoré jednoznačne identifikujú nasledujúci (tranzitný alebo konečný) uzol. Tieto tabuľky majú rôzne názvy – napríklad pre ethernetové siete sa zvyčajne nazývajú presmerovacia tabuľka a pre sieťové protokoly ako IP a IPX sa nazývajú smerovacie tabuľky. V nasledujúcom texte budeme pre jednoduchosť používať termín „smerovacia tabuľka“ ako všeobecný názov pre tento druh tabuliek používaných na prenos datagramov len na základe cieľovej adresy koncového uzla.

Smerovacia tabuľka pre tú istú cieľovú adresu môže obsahovať niekoľko záznamov smerujúcich na rôzne adresy nasledujúceho smerovača. Tento prístup sa používa na zlepšenie výkonu a spoľahlivosti siete. V príklade na obr. 8 sú pakety prichádzajúce do smerovača R1 pre cieľový uzol s adresou N2, A2 distribuované medzi ďalšie dva smerovače, R2 a R3, na účely vyrovnávania záťaže, čo znižuje zaťaženie každého z nich, čo znamená, že sa znižujú fronty a urýchľuje doručenie. Určitá "neostrosť" v ceste paketov s rovnakou cieľovou adresou cez sieť je priamym dôsledkom princípu nezávislého spracovania každého paketu, ktorý je vlastný datagramovým protokolom. Pakety, ktoré cestujú do rovnakého cieľa, sa k nemu môžu dostať rôznymi spôsobmi a v dôsledku zmien stavu siete, napríklad zlyhania medziľahlých smerovačov.

Ryža. 8. Datagramový princíp prenosu paketov.

Takáto vlastnosť datagramového mechanizmu, ako je rozmazanie ciest prevádzky cez sieť, je tiež v niektorých prípadoch nevýhodou. Napríklad, ak pakety určitej relácie medzi dvoma koncovými uzlami siete musia poskytovať danú kvalitu služby. Moderné metódy podpory QoS fungujú najlepšie, keď prevádzka, ktorá potrebuje poskytovať záruky služby, vždy prechádza cez rovnaké medziľahlé uzly.
Virtuálne okruhy v paketovo prepájaných sieťach

Mechanizmus virtuálnych okruhov (virtuálny okruh alebo virtuálny kanál) vytvára stabilné cesty sieťovej prevádzky cez sieť s prepínaním paketov. Tento mechanizmus zohľadňuje existenciu dátových tokov v sieti.

Ak je cieľom vytvoriť jednu cestu cez sieť pre všetky pakety toku, potom nevyhnutným (ale nie vždy jediným) znakom takéhoto toku by mala byť prítomnosť spoločných bodov vstupu a výstupu zo siete pre všetkých. jeho pakety. Práve na prenos takýchto tokov v sieti sa vytvárajú virtuálne kanály. Obrázok 9 zobrazuje fragment siete, v ktorej sú umiestnené dva virtuálne kanály. Prvý ide z koncového uzla s adresou N1, A1 do koncového uzla s adresou N2, A2 cez medziľahlé sieťové prepínače R1, R3, R7 a R4. Druhý zabezpečuje postup dát po ceste N3, A3 - R5 - R7 - R4 - N2, A2. Medzi dva koncové uzly možno umiestniť niekoľko virtuálnych kanálov, pričom oba sa úplne zhodujú s trasou cez tranzitné uzly a sú rozdielne.

Ryža. 9. Ako to funguje virtuálny kanál.

Sieť poskytuje iba možnosť prenášať prevádzku po virtuálnom kanáli a o tom, ktoré toky sa budú cez tieto kanály prenášať, rozhodujú samotné koncové uzly. Uzol môže použiť rovnaký virtuálny okruh na prenos všetkých tokov, ktoré majú s týmto virtuálnym okruhom spoločné koncové body, alebo len niektoré z nich. Môžete napríklad použiť jeden VC na prenos v reálnom čase a druhý na prenos e-mailov. V druhom prípade budú mať rôzne virtuálne kanály rôzne požiadavky na kvalitu služby a bude ľahšie ich uspokojiť ako v prípade, keď návštevnosť z rozdielne požiadavky na parametre QoS.

Dôležitou vlastnosťou sietí virtuálnych okruhov je použitie lokálnych paketových adries pri rozhodovaní o prenose. Namiesto dostatočne dlhej adresy cieľového uzla (jej dĺžka by mala umožňovať jednoznačnú identifikáciu všetkých uzlov a podsietí v sieti, napr. technológia ATM pracuje s 20-bajtovými adresami) sa používa lokálny štítok, teda zmena z uzla to node, označenie, s ktorým sa všetky pakety pohybujú po určitom virtuálnom kanáli. Toto označenie sa v rôznych technológiách nazýva odlišne: v technológii X.25 - číslo logického kanála (LCN), v technológii frame relay - identifikátor spojenia dátového spojenia (DLCI), v technológii ATM - identifikátor virtuálneho kanála (VCI). Jeho účel je však všade rovnaký – medziľahlý uzol, v týchto technológiách nazývaný prepínač, načíta hodnotu štítku z hlavičky prichádzajúceho paketu a pozrie sa do jeho prepínacej tabuľky, ktorá udáva, na ktorý výstupný port má byť paket prenesený. Prepínacia tabuľka obsahuje záznamy iba o virtuálnych linkách prechádzajúcich týmto prepínačom a nie o všetkých uzloch v sieti (alebo podsietiach, ak sa používa hierarchická metóda adresovania). Zvyčajne v veľká sieť počet virtuálnych prepojení položených cez uzol je výrazne menší ako počet uzlov a podsietí, preto je veľkosť prepínacej tabuľky oveľa menšia ako smerovacia tabuľka, a preto prezeranie trvá oveľa menej času a nevyžaduje si veľa výpočtového výkonu z prepínača.

Identifikátor virtuálneho kanála (toto je názov štítka, ktorý sa použije neskôr) je tiež oveľa kratší ako adresa koncového uzla (z rovnakého dôvodu), preto je redundancia hlavičky paketu, ktorá teraz neobsahuje dlhé adresy, ale prenáša iba identifikátor cez sieť, je oveľa menej.