Организация обмена сообщениями с сетях ЭВМ

    Сравнительный анализ методов коммутации пакетов, каналов и сообщений показывает их преимущества и недостатки, зависящие от вида трафика и от требований пользователя.

    Для коммутации пакетов и сообщений свойственно  перемещение их в линиях связи, т. е. своего рода уплотнение, присущее данному  типу коммутации. Кода коммутация каналов не совмещалась с частотным уплотнением. Временная коммутация каналов может быть совмещена с уплотнением, однако эта форма уплотнения не соответствует виду уплотнения, используемому в ЭВМ с коллективным доступом.

     Три аспекта коммутации пакетов могут  показаться на первый взгляд недостатками. Этими аспектами являются задержки, обусловленные буферизацией пакетов, разбросом задержек и накладными расходами на обработку.

     Можно избежать нарушений последовательности пакетов использованием соответствующих протоколов и сохранить последовательность во многих современных сетях. Затраты на обработку могут быть значительными при большой длине сообщений, однако небольшими для коротких диалогов. С другой стороны, следует учитывать затраты в сети коммутации каналов на организацию и ликвидацию соединений.

     Коммутация  пакетов может быть экономичнее  коммутации каналов в отношении использования линии передачи данных благодаря тому, что коммутация пакетов обеспечивает уплотнение пакетов из различных потоков в соответствии с требующейся для их передачи пропускной способностью. Эта экономичность снижается из-за наличия заголовков пакетов и различных типов служебных пакетов, но дает заметные преимущества при пульсирующем трафике, который наиболее характерен для интерактивных передач в вычислительных сетях.

     Для очень коротких диалогов организация  и ликвидация соединений в режиме коммутации каналов приводят к большим накладным расходам в отношении обработки, передачи и задержки. При этом задержка на передачу может быть значительно больше, чем при передаче пакетов, поскольку в системе с коммутацией каналов для управляющих сигналов выделяется только малая часть пропускной способности.

     Между узлами коммутации, а также между  сетью и её абонентами используются линии передачи пакетов с динамическим мультиплексированием. Это не только позволяет эффективно использовать линии в интерфейсе с пользователем, но и соответствует режиму взаимодействия в вычислительных системах коллективного доступа. Пакеты от многих источников чередуются в последовательности, зависящей от частоты их появления, и передаются по одной общей линии к одной ЭВМ. Следовательно, эта ЭВМ может в одно и то же время взаимодействовать с несколькими источниками.

     Коммутация  пакетов и коммутацией сообщений  имеют много общего. Различие состоит  в том, что передача пакетов по своей природе носит диалоговый характер в отличие от одновременной доставки целого сообщения. Долговременная память, используемая в коммутации сообщении, играет важную роль для сохранения их целостности, но она приводит к большим задержкам. Это не позволяют использовать такие системы в диалоговом режиме.

    Реальные  сети коммутации пакетов обладают достаточно высокой надежностью и имеют тенденцию скорее к дублированию пакетов, нежели к их потере. Сети с коммутацией пакетов отличаются от систем с коммутацией сообщений большей целенаправленностью их функций, как в отношении надежности доставки, так и в отношении ее скорости.

    Коммутация  пакетов повышает эффективность  использования каналов связи. Она  загружает только небольшую часть  пропускной способности линий связи. Коммутация пакетов позволяет полнее использовать линии, применяя мультиплексирование  пакетов. С другой стороны, эти короткие сообщения содержат заголовки, которые  также занимают определенную долю пропускной способности. В целом преимущество на стороне коммутации пакетов, однако, оно не слишком велико.

    Более важным преимуществом коммутации пакетов является способность изменения скорости передачи. При коммутации пакетов каждая ЭВМ может использовать приемлемую для неё скорость передачи и режим работы. В сети с коммутацией каналов все устройства передачи данных разделены по скорости на категории.

    Существенным  аргументом в пользу коммутации пакетов является интерфейс к ЭВМ коллективного доступа. Коллективный доступ предполагает, что ЭВМ может принимать участие одновременно в нескольких диалогах с другими ЭВМ. Интерфейс к сети коммутации пакетов требует использования только одного канала, по которому передаются пакеты из различных диалогов. Это не только позволяет эффективнее использовать канал связи, но и лучше соответствует режиму работы самой ЭВМ.

    В реальных глобальных сетях используются все  три метода коммутации. Коммутация каналов используется при передаче аудиоинформации по обычным телефонным линиям связи. Коммутация пакетов –  в настоящее время также используется для передачи аудио - и видеоинформации. При этом иногда применяется технология асинхронной передачи. Эта коммуникационная технология, объединяет принципы коммутации пакетов и каналов для передачи информации различного типа. Коммутация сообщений применяется в основном для передачи электронной почты, в телеконференциях или в электронных  новостях. 

4. _{Маршрутизация.}

     Успешное  функционирование сетей передачи данных в значительной степени определяется эффективностью используемых алгоритмов маршрутизации. В сетях с коммутацией каналов алгоритм маршрутизации действует лишь на стадии установления соединения в процессе выбора пути. В сетях с коммутацией пакетов этот алгоритм может либо определять маршрут для каждого пакета в отдельности, либо устанавливать маршрут, по которому пройдёт серия пакетов. Для принятия решения о маршруте каждый узел должен содержать таблицу маршрутизации, указывающую для каждого адресата выходную линию, по которой необходимо послать пакет. Если в сети происходит отказ или восстановление, то таблицы маршрутизации необходимо скорректировать. Отказ узла, вызовет изменения в соседних узлах и некоторых более отдаленных узлах. При большом удалении отказ может не оказывать влияния. В общем случае изменения маршрута из-за отказа или местной перегрузки не распространяются на всю сеть.

      Сложность проблемы маршрутизации в любой  сети в значительной степени зависит от ее топологии. В радиальной (топология звезда) сети все узлы, принимающие и передающие информацию пользователей, соединены с одним центральным узлом, через который должен проходить весь трафик. Каждый узел-адресат обслуживается отдельным каналом, и таблица маршрутизации центрального узла сопоставляет узлы-адресаты с выходными канатами.

      В кольцевой сети сообщение может достичь любого узла назначения, двигаясь в одном из двух направлений по кольцу. Алгоритм маршрутизации может быть реализован без таблиц маршрутизации. Однако один из путей по кольцу будет короче другого. Можно снабдить каждый узел таблицей маршрутизации, определяющей кратчайшие расстояния до любого адресата, или ввести систему нумерации узлов, чтобы дать возможность узлам самим оценить, какой из двух путей до заданного адресата короче.

    В древовидных  сетях между любой парой узлов  существует единственный путь. Это обстоятельство позволяет разработать систему адресации, однозначно определяющую выбор пути между любой парой узлов. Вся информация, необходимая алгоритму маршрутизации, может содержаться в адресе пакета. Таблицы маршрутизации в узлах не требуются.

     Сеть с самым простым алгоритмом маршрутизации – полносвязная сеть, в которой каждый узел имеет прямую связь со всеми остальными. Таблица маршрутизации в узле определяет единственный канал, который ведет к узлу назначения.

     Большинство реальных сетей обладает значительно более сложной топологией, представляющей собой ячеистую структуру с ячейками неправильной формы. Расположение узлов сети обычно диктуется потребностями пользователей, а расположение трактов, соединяющих узлы, зависит от наличия их пропускной способности и маршрутов передачи. Часто главную роль играют экономические соображения.

     В сетях коммутации пакетов чаще встречаются алгоритмы маршрутизации, которые пытаются обеспечить непрерывное продвижение каждого пакета от источника к адресату. Чтобы добиться этого, алгоритм маршрутизации стремится выбрать наиболее подходящий выходной канал для передачи каждого пакета. Заголовок пакета должен содержать адрес узла назначения. Используя его, алгоритм маршрутизации по таблице маршрутизации определяет соответствующий выходной канал. Этот выбор может определяться просто поиском кратчайшего пути между источником и адресатом или может усложниться, пытаясь учесть данные локальных либо глобальных измерений нагрузки компонента сети, узлов и каналов. С первых шагов исследования сетей алгоритмы маршрутизации такого типа часто называются алгоритмами направленной передачи.

    Правильный  выбор алгоритма маршрутизации может сильно повлиять на работу сети. Разработчик сети может выбрать алгоритм, обеспечивающий максимальную пропускную способность сети. С другой стороны, может оказаться более важным обеспечение быстрой доставки сообщений в сеть. В этом случае можно было бы использовать другой алгоритм.

   Наиболее ценные с практической точки зрения методы направленной передачи можно разделить на две основные категории — фиксированные и адаптивные. Фиксированные алгоритмы в свою очередь могут быть разделены на две подгруппы. В первой находятся алгоритмы, в которых для любой пары источник - адресат определяется единственный путь. Во второй — алгоритмы, допускающие несколько возможных путей между любыми источниками и узлами назначения и выделяющие определенную долю трафика на каждый из этих путей. Адаптивные алгоритмы маршрутизации можно разделить на локальные, распределенные, централизованные и гибридные алгоритмы маршрутизации.

   Локальная маршрутизация, в которой принятие решений в каждом узле зависит  только от локальной информации. Распределенная маршрутизация, в которой узлы обмениваются информацией между собой, и выбор  маршрутов происходит на основе сочетания  как локальной, так и более  общей, «распределенной» информации. Централизованная маршрутизация, в которой узлы передают локальную информацию центральному диспетчерскому узлу, который в свою очередь рассылает маршрутные директивы всем узлам сети. Гибридная маршрутизация, в которой сочетаются локальные, распределенные и централизованные методы маршрутизации.

     При разработке процесса маршрутизации, использующего  полностью фиксированную маршрутизацию, необходимо, чтобы каждый узел мог распознать адрес назначения каждого пакета. После этого обратившись к таблице маршрутизации, должен определиться тот единственный канал, по которому следует передать этот пакет. Основная трудность заключается в построении таблиц маршрутизации для всех узлов сети. В простейших случаях в таблице маршрутизации указываются кратчайшие пути между всеми парами источник-адресат. Таблицы маршрутизации по кратчайшим путям могут приводить к концентрации трафика. Её можно уменьшить, изменив соответствующим образом таблицы маршрутизации. Если разработчику сети известна матрица нагрузки на сеть, то фиксированные таблицы маршрутизации по кратчайшим путям могут быть изменены так, чтобы полнее использовать пропускную способность в различных частях сети.

    Целью адаптивной маршрутизации является принятие каждого  решения о выборе маршрута в зависимости  от текущего состояния сети. На практике основная трудность заключается  в том, что в каждом узле принимать  решения приходится на основе неполной информации о состоянии остальной части сети. В лучшем случае в процессе принятия решения можно знать состояние трафика в одном узле и более или менее точно — положение дел в ближайших к нему соседних узлах. Информация о состоянии удаленных узлов и каналов может быть весьма неполной и уж наверняка устаревшей.

    _{Простые алгоритмы маршрутизации.}

    Метод случайной маршрутизации организован следующим образом. Узел, получив подтверждение, что прибывший пакет подлежит дальнейшей передаче, случайным образом выбирает один из выходящих из него каналов, по которому пакет будет передан дальше. Посылать пакет по каналу, по которому он только что прибыл в данный узел коммутации, неразумно. Поэтому этот канал исключается из числа выбираемых выходных каналов. Иногда целесообразно использовать выходные каналы по очереди, направляя каждый новый пакет в новый канал, исключая передачу пакета в обратном направлении. Совокупность последовательных пакетов, передаваемых узлом и адресованных широкому кругу адресатов, может создавать случайное распределение использования выходных каналов.

    Пакеты, передаваемые по сети описанным образом, совершают случайные блуждания по сети и не имеют направленного движения к своим узлам назначения. Для сети заданной топологии можно вычислить распределение вероятностей возможных длин пути. Оно выражается числом пройденных трактов или числом «шагов», необходимых для достижения заданного адресата. При этом существует конечная вероятность того, что некоторые пути будут иметь очень большую длину. Поэтому было бы разумным снабдить каждый пакет счетчиком пройденных шагов и уничтожать те пакеты, у которых значение счетчика превышает заранее установленную величину. Установление предельного количества шагов является необходимой мерой для предотвращения бесконечного блуждания пакетов по сети. Это может произойти, когда вследствие выхода из строя группы каналов сеть распадается на две несвязные между собой части. При таком методе предотвращения длительных блужданий по сети исчезает гарантия того, что пакет вообще будет доставлен адресату.

     Другим типом маршрутизации, не нуждающимся в знании топологии сети, является лавинная маршрутизация. Узел, которому необходимо передать пакет, размножает его в количестве экземпляров, равном числу выходящих из узла каналов без одного. Эти копии передаются по всем каналам, за исключением того, по которому данный пакет пришел в этот узел коммутации. Здесь также используется счетчик числа шагов приемов для ограничения числа последовательных передач. Значение заранее установленного предела этого счетчика должно несколько превосходить длину кратчайшего пути между самыми удаленными узлами сети. Когда число шагов для некоторого пакета достигает предела, он уничтожается и впредь не передается. Достоинством лавинной маршрутизации является то, что, по крайней мере, одна из копий пакета достигнет адресата по кратчайшему пути и за кратчайшее время. Однако это достигается ценой значительной перегрузки сети. Узлам назначения может потребоваться анализ прибывающих пакетов, чтобы уничтожить копии уже имеющихся.