Организация обмена сообщениями с сетях ЭВМ

     Коммутируемая сеть передачи данных общего пользования может предоставить почти все виды обслуживания, которые характерны для частной сети, по более низкой цене и лучшем качестве обслуживания.  
 
 
 
 

3. Коммутация  пакетов.

     Базовая сеть связи использует методы коммутации и передачи, чтобы решить задачу передачи данных между ЭВМ. Было разработано множество способов коммутации пакетов, которые отличаются в деталях.

     Коммутация  является средством, с помощью которого сообщение или запрос соединения направляются к адресу. Она определяет не только метод передачи данных по магистральным линиям сети, но и способ мультиплексирования в интерфейсе пользователей. Основная функция коммутации заключается в том, чтобы дать доступ одному абоненту сети ко всем другим. Эта функция контролируется самим пользователем, когда он указывает адрес сообщения. Коммутация имеет вторую функцию, которой является концентрация.

      Обычно  мы сталкиваемся с тем, что абоненты не распределяются равномерно на большой  территории, а объединяются в группы. Когда группа соединений идет к коммутатору, находящемуся на некотором расстоянии, то линии используются неэкономично, так как только небольшая часть линий будет активна одновременно. Более экономно поместить вспомогательный коммутатор вблизи группы пользователей, что позволит уменьшить число линий, идущих к центральному коммутатору. Эти вспомогательные коммутаторы являются концентраторами. Концентратор лишь связывает все активные линии с коммутатором. Упрощённая функция концентрации снимает очевидную избыточность линий передачи.

     Концентрированный трафик, который проходит к коммутатору, позволяет лучше использовать линии  и обладает большей статистической однородностью для больших групп линии. Когда коммутаторы связаны в распределенную сеть, трафик между ними уже является сконцентрированным. Это позволяет эффективнее использовать сами коммутаторы, так как они обрабатывают только концентрированный трафик.

    Уплотнение  имеет внешнее сходство с концентрацией, однако между ними имеется важное различие. При уплотнении группа линий заменяется одним трактом передачи с более высокой пропускной способностью. Стоимость высокоскоростной линии выше стоимости каждой индивидуальной линии. Однако плата за одну скоростную линию относительно группы линий, снижается, и иногда очень значительно. Уплотненный канал передачи обеспечивает точно такое же обслуживание, как и группа линии, которую он замещает.

    В классическом методе временного уплотнения каждый канал имеет собственный временный интервал в кадре, который периодически повторяется. Таким образом, для каждого подканала выделяется постоянная и гарантированная пропускная способность. Большую часть времени они вообще не несут данных, поскольку нет требований на их использование. При мультиплексировании по требованию временные интервалы выделяются в соответствии с требованиями от различных подканалов таким образом, что ни один интервал не занимается подканалом, когда нет данных для передачи. Каждый блок данных должен быть определен адресом в виде короткого «заголовка», который вырабатывается устройством управления. В результате поток данных состоит из блоков с адресами. Мультиплексирование по требованию представляет собой некоторую форму концентрации со всеми присущими ей опасностями перегрузки. Здесь неизбежно присутствует также переменная задержка из-за наличия буферов, посредством которого коммутатор реагирует на требования.

    Передача  сообщений с промежуточным накоплением. В системе коммутации сообщений основной упор сделан на надежную доставку сообщений даже ценой возможной задержки. Сущность этого метода состоит в том, что сообщение заносится в буфер в каждом промежуточном узле коммутации, и перед передачей к следующему пункту на его пути выполняется проверка его правильности. В том случае, если линии перегружены или недоступны по какой-либо причине, сообщение может быть задержано, передано позднее или послано в обход по другому маршруту.

     Коммутация состоит в том, что сообщения с адресами из входных буферов перемещаются в соответствующую выходную очередь. Эти действия выполняет вычислительная система, и есть вероятность, что она может оказаться перегруженной и входной буфер не будет освобожден до прибытия следующего сообщения. В этом случае сообщения перемещаются из входных буферов на свободные места в выходных очередях. Если выходная очередь заполнена полностью, то сообщение помещается на долговременную память. Когда очередь освободится, сообщение вынимается из долговременной памяти и помещается к выходной линии в только что освободившуюся очередь.

     Система коммутации сообщений отвечает за надежную их доставку. Для каждой части системы обеспечивается проверка и предусмотрены средства дня восстановления после сбоев. Передача сообщений от одного коммутатора к другому выполняется с использованием средств защиты от ошибок.

     Первой  важной задачей является обнаружение ошибки, возникшей при передаче данных. Для этого используется некоторая форма избыточного кодирования. Для передаваемого сообщения вычисляется контрольная сумма, и она перед передачей добавляется к сообщению. На принимающей стороне вновь вычисляется контрольная сумма по тому же алгоритму, и сравнивается с контрольной суммой в принятом сообщении. Если при передаче  произошла ошибка, то она с высокой вероятностью будет обнаружена при сравнении контрольных сумм. Сообщения, в которых обнаружена ошибка, передаются повторно. Именно для таких случаев узел коммутации, прежде чем передать сообщение, запоминает и сохраняет его копию. Повторная передача сообщения может выполняться с помощью подтверждения каждого передаваемого сообщения. Вероятность полной потери сообщения исключается с помощью последовательной нумерации сообщении на передающей стороне и проверки их последовательных номеров на приемной стороне.

     Когда система сильно загружена, очереди расширяются за счет долговременной памяти. При этом задержка может оказаться весьма значительной. Если узел коммутации загружен слабо, то задержка равна времени передачи сообщения при используемой скорости. Для сети в целом задержки имеют разброс от нескольких секунд до нескольких часов. Сеть может хранить сообщение и доставить его позже, если ЭВМ абонента отключена или по каким-то другим причинам не может принять сообщение.

    Метод передачи с промежуточным накоплением, используемым при коммутации сообщений, не предполагает прямой диалог между абонентами. Сеть уделяет все внимание надежной доставке сообщений. С этой целью в сети используются долговременные запоминающие устройства и учет всего трафика, проходящего через сеть. В результате в сети присутствуют значительные задержки, которые неприемлемы для диалоговой системы, но в то же время служат целям надежной доставки сообщений.

    Концепция пакетов.

     Короткий  отрезок сообщения, или пакет был введен для того, чтобы фиксировать задержку передачи в требуемых пределах. Для систем, обрабатывающих сообщения переменной длины, оказалось, что даже небольшой процент сообщений большой длины оказывает существенное влияние на величину средней задержки. Поскольку сообщения в очереди обрабатываются последовательно, одно длинное сообщение вызывает длительную задержку всех остальных, включая идущие за ним короткие сообщения. Именно по этой причине вводится ограничение максимальной длины пакетов.

     Сообщения, имеющие размер, превышающий длину  пакета, разбиваются перед передачей  на пакеты, а затем на приемной стороне  из пакетов вновь собирается сообщение. Разбиение пакетов выполняется  до того, как сообщение полностью  будет загружено в узел и доставка к адресату начнется раньше, чем  прибудут все пакеты. При этом общая  задержка будет значительно меньше, чем в случае, когда сообщение  передавалось через сеть целиком.

     Сети  с коммутацией пакетов обычно имеют много связную топологию с достаточной степенью связности, чтобы отказ одного или двух звеньев сети не привел к ее разделению на несвязанные части. В многосвязной структуре необходимы избыточные линии связи, количество которых определяется вероятностью сбоев линий связи, а также серьезностью проблемы, возникающей при нарушении связности сети. На случай отказа узла может быть предусмотрено резервное оборудование, позволяющее избежать разрыва линий, входящих и выходящих из этого узла. Дальнейшего повышения надежности можно достигнуть разбиением узла коммутации на более мелкие компоненты, сводя к минимуму число абонентов, на которых оказывает влияние отдельный отказ.

     Линии связи между узлами и линии, соединяющие абонентов с сетью, могут работать с разными скоростями передачи данных. Поскольку в узлах коммутации пакеты поступают в буферы, нет необходимости требовать, чтобы скорости передачи в линиях были одинаковыми. Обычно абоненты работают на различных скоростях, а сеть выполняет согласование скоростей.

     Отсутствие  ограничений на скорость потока данных может осложнить ситуацию в том  случае, когда передающая сторона  формирует и передает пакеты быстрее, чем приемная способна их получать. Это вызывает необходимость управления потоком. Оно строится таким образом, что приемная сторона может контролировать скорость передающей.

     Если  пакеты идут через сеть независимо друг от друга, они могут приходить к месту назначения не в той последовательности, в какой были переданы. Вследствие этого необходимо использовать сквозные процедуры, восстанавливающие последовательность. Сохранение порядка пакетов обеспечивало приближение услуг сети к функциям канала передачи данных и, требовало меньших затрат на согласование с существующим программным обеспечением телеобработки.

     Свойства, близкие к свойствам канала передачи данных, могут привлечь к себе внимание тарифами, возможностью согласования скоростей и обеспечения уплотнения. Это привело к идее использования виртуального канала.

     Виртуальный канал обладает одним из основных свойств реального канала передачи данных. Он сохраняет последовательность передаваемой информации и в то же время способен изменять скорость и чередование пакетов. Таким образом, виртуальный канал сохраняет свойства коммутации пакетов и добавляет к ним свойство реального канала в отношении сохранения последовательности пакетов.

     Виртуальный канал изменяет смысл управления потоком. Если пакет не был принят адресатом, то ни один из следующих пакетов также не будет доставлен. Когда сеть приняла такое число пакетов, которое соответствует выделенным для данного потока буферам, она должна прекратить дальнейший ввод. Требуется обеспечение сетью тесной связи между адресатом и источником, для чего в памяти на обоих концах фиксируется информация о существовании виртуального соединения. В то время как передача отдельных пакетов может производиться без предварительных процедур, организация виртуального соединения требует выполнения функций его установления и ликвидации.

    Самым простым  путем построения сети виртуальных соединений является создание сети с простой транспортировкой пакетов, к которой добавлена служба обеспечения последовательности пакетов. В сети используются два типа пакетов. Один тип пакетов предназначен для передачи данных между абонентами, а другой тип составляют специальные пакеты для установления, управления работой и ликвидации соединения. Для различения этих пакетов на каждом конце соединения используются процедуры, анализирующие идентификаторы служебных пакетов. Эти процедуры или протоколы обычно размещаются в узлах коммутации, обслуживающих абонентов. Преимущества такой конструкции сети состоят в том, что базовая пакетная сеть может иметь очень простую организацию и полностью использовать свои свойства адаптивной маршрутизации.

     Другой  способ установления виртуального соединения заключается в том, что сеть не только выполняет доставку пакетов, но и регистрирует путь через сеть для каждого установленного виртуального соединения. При установлении соединения путь через сеть регистрируется в каждом промежуточном узле, а затем все пакеты диалога последовательно передаются по одному и тому же пути. В этом смысле виртуальное соединение становится реальным каналом через сеть, хотя в каждом отдельном тракте осуществляется мультиплексирование по требованию, присущее коммутации пакетов.

    При запросе  от абонента на установление соединения генерируется специальный пакет, который определяет путь через сеть к вызываемому абоненту. При прохождении этого пакета через узлы коммутации его путь фиксируется. Пакет, содержащий согласие на соединение, передаётся в обратном направлении и проходит тем же путём, что и все последующие пакеты диалога. Если происходит отказ узла или линии на этом пути, то это вызывает разьединение. Резервирование в узлах и дублирование линий поможет решать эту проблему, однако следует заметить, что первый способ решает эту проблему более простыми средствами.

    Этот  недостаток второго метода компенсируется его другими свойствами. Когда  пакеты передаются по сети индивидуально, каждый из них должен содержать полный адрес своего адресата. Когда же пакеты идут по фиксированному пути, полный адрес не требуется. Каждый тракт между узлами идентифицирует все виртуальные соединения, которые проходят через него. Внутри узла коммутации виртуальные соединения представлены таблицей, которая устанавливает связь между номерами каналов, соединяющихся друг с другом. Следовательно, пакеты должны содержать номер логического канала, относящийся только к тому тракту, через который пакет проходит в данный момент.

     Когда концепция виртуального соединения получила широкое использование, возник вопрос о том, что для некоторых применении необходима также служба дейтаграмм. Дейтаграмма является не чем иным, как обычным пакетом, а служба дейтаграмм представляет собой простую доставку пакетов. Новое название потребовалось в основном для того, чтобы отличить эту форму доставки от механизма виртуального соединения. Совмещение службы виртуальных соединений со службой дейтаграмм в одной и той же сети не представляет принципиальных трудностей.

     Диалоговый  режим представляет собой обмен  сообщениями в двух направлениях между участниками диалога. Если эти сообщения состоят из большого числа пакетов, то служба дейтаграмм малопригодна для их доставки, поскольку она допускает нарушение последовательности пакетов. Некоторые из важных видов использования сетей представляют собой простые формализованные обмены, представленные передачей одного пакета в каждом направлении. Установление виртуального соединения для такого рода обменов информацией может вносить избыточные накладные расходы.