Принципы пакетной передачи данных
Коммутация пакетов
Под коммутацией в сетях передачи данных понимается совокупность операций, обеспечивающих в узлах коммутации передачу информации между входными и выходными устройствами в соответствии с указанным адресом.
При коммутации пакетов (КП) передаваемое сообщение разбивается на меньшие части, называемые пакетами, каждый из которых имеет установленную максимальную длину. Пакеты снабжаются служебной информацией, необходимой для доставки пакета, и передаются по сети.
Каждый пакет снабжается следующей служебной информацией (заголовком):
- коды начала и окончания пакета,
- адреса отправителя и получателя,
- номер пакета в сообщении,
- информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения.
Множество пакетов одного и того же сообщения может передаваться одновременно. Приемник в соответствии с заголовками пакетов выполняет сборку пакетов в исходное сообщение и отправляет его получателю. Благодаря возможности не накапливать сообщения целиком, в узлах коммутации не требуется внешних запоминающих устройств, следовательно, можно вполне ограничиться оперативной памятью, а в случае ее переполнения использовать различные механизмы задержки передаваемых пакетов в местах их генерации.
Части одного и того же сообщения могут в одно и то же время находиться в различных каналах связи, более того: когда начало сообщения уже принято, его конец отправитель может еще даже не передавать в канал.
При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям:
— уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины;
— обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи).
В сети с пакетной коммутацией максимальный размер пакета устанавливается на основе 3-х факторов:
— распределение длин пакетов,
— характеристика среды передачи (главным образом, скорость передачи),
— стоимость передачи.
Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.
Процесс передачи данных в сети с коммутацией пакетов
Процесс передачи данных в сети с КП можно представить в виде следующей последовательности операций:
- вводимое в сеть сообщение разбивается на части — пакеты, содержащие адрес конечного пункта получателя;
- в узле КП пакет запоминается в оперативной памяти (ОЗУ) и по адресу определяется канал, по которому он должен быть передан;
- если этот канал связи с соседним узлом свободен, то пакет немедленно передается на соседний узел КП, в котором повторяется та же операция;
- если канал связи с соседним узлом занят, то пакет может какое-то время храниться в ОЗУ до освобождения канала;
- сохраняемые пакеты помещаются в очередь по направлению передачи, причем длина очереди не превышает 3-4 пакета; если длина очереди превышает допустимую, пакеты стираются из ОЗУ и их передача должна быть повторена.
Пакеты, относящиеся к одному сообщению, могут передаваться по разным маршрутам в зависимости от того, по какому из них в данный момент они с наименьшей задержкой могут пойти к адресату. В связи с тем, что время прохождения по сети пакетов одного сообщения может быть различным (в зависимости от маршрута и задержки в узлах коммутации), порядок их перехода к получателю может не соответствовать порядку пакетов.
Методы пакетной коммутации
Существует два метода пакетной коммутации: дейтаграммный (датаграммный) и способ виртуальных соединений.
Дейтаграммный метод
Этот метод эффективен для передачи коротких сообщений. Он не требует громоздкой процедуры установления соединения между абонентами.
Термин «дейтаграмма» (датаграмма, datagram ) применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Пакеты доставляются получателю различными маршрутами. Эти маршруты определяются сложившейся динамической ситуаций на сети. Каждый пакет снабжается необходимым служебным маршрутным признаком, куда входит и адрес получателя.
Пакеты поступают на прием не в той последовательности, в которой они были переданы, поэтому приходится выполнять функции, связанные со сборкой пакетов. Получив дейтаграмму, узел коммутации направляет ее в сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Когда смежный узел подтверждает получение пакета, узел коммутации стирает его в своей памяти. Если подтверждение не получено, узел коммутации отправляет пакет в другой смежный узел, и так до тех пор, пока пакет не будет отправлен.
Все узлы, окружающие данный узел коммутации, ранжируются по степени близости к адресату, и каждому присваивается 1, 2 и т.д. ранг. Пакет сначала посылается в узел первого ранга, при неудаче — в узел второго ранга и т.д. Эта процедура называется алгоритмом маршрутизации. Существуют алгоритмы, когда узел передачи выбирается случайно, и тогда каждая дейтаграмма будет идти по случайной траектории.
Виртуальный метод
Этот метод предполагает предварительное установление маршрута передачи всего сообщения от отправителя до получателя с помощью специального служебного пакета — запроса вызова.
Для этого пакета выбирается маршрут, который в случае согласия получателя этого пакета на соединение закрепляется для прохождения по нему всего трафика. Пакет запроса на соединение как бы прокладывает через сеть путь , по которому пойдут все пакеты, относящиеся к этому вызову.
Метод называется виртуальным потому, что здесь не коммутируется реальный физический тракт (как, например, в телефонной сети), а устанавливается логическая связка между отправителем и получателем, — т.е. коммутируется виртуальный (воображаемый) тракт.
В виртуальной сети абоненту-получателю направляется служебный пакет, прокладывающий виртуальное соединение. В каждом узле этот пакет оставляет распоряжение вида: пакеты k -го виртуального соединения, пришедшие из i -го канала, следует направлять в j -й канал. Тем самым виртуальное соединение существует только в памяти управляющего компьютера. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объем памяти понадобится для приема. Если его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами.
Пакеты беспрепятственно проходят друг за другом по виртуальному соединению и в том же порядке попадают абоненту-получателю, где, освободившись от заголовков и концевиков, образуют передаваемое сообщение.
Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока отправленный одним из абонентов специальный служебный пакет не сотрет инструкции в узлах.
Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации.
Преимущества режима виртуальных соединений перед дейтаграммным заключается в обеспечении упорядоченности пакетов, поступающих в адрес получателя, и сравнительной простоте управления потоком данных вдоль маршрута в целях ограничения нагрузки в сети, в возможности предварительного резервирования ресурсов памяти на узлах коммутации.
К недостаткам следует отнести отсутствие воздействия изменившейся ситуации в сети на маршрут, который не корректируется до конца связи. Виртуальная сеть в значительно меньшей степени подвержена перегрузкам и зацикливанию пакетов, за что приходится платить худшим использованием каналов и большей чувствительностью к изменению топологии сети.
Источник
Пакетная передача данных
Сеть Интернет относится к сетям пакетной передачи данных.
Вся информация в сети передается исключительно небольшими порциями — пакетами. Любой Клиент и любой Сервер умеют преобразовывать поток передаваемой информации в набор отдельных пакетов и «склеивать» полученные пакеты обратно в поток информации.
Обычно размер пакетов в сети небольшой — от нескольких байт до нескольких килобайт.
Каждый пакет состоит из заголовка и информационной части.
Заголовок — это аналог почтового конверта. В заголовке указывается кому и от кого этот пакет передан — адрес отправителя пакета и адрес получателя, а также иная служебная информация, необходимая для успешной «склейки» пакетов получателем.
В информационной части — собственно сама передаваемая информация.
Адреса отправителя/получателя в заголовке пакета используется Сетевым Оборудованием для определения — куда какой пакет отправлять.
Применение пакетной передачи данных позволяет строить сеть таким образом, что маршруты доставки от одной точки сети до другой разных пакетов информации могут проходить по разным физическим каналам связи и, меняться в зависимости от их работоспособности или загрузки. Это значительно увеличивает «живучесть» сети в целом — даже если часть каналов связи будут неработоспособными, информация все равно может быть доставлена по другим работающим каналам.
Адресация
Чтобы информация безошибочно могла передаваться с одного компьютера на другой, необходимо наличие уникальных адресов, с помощью которых можно однозначно определить (идентифицировать) получателя информации. Подобно тому, как обычная почта доставляет почтовые отправления по адресам, включающим в себя область, город, улицу, дом, квартиру, так и в сети Internet информационные пакеты доставляются по адресам, только в адресе указываются не дома и улицы, а номера сетей, к которым подключен компьютер-получатель и номера самих компьютеров в этих сетях.
Итак, каждый компьютер, подключенный к сети Internet, имеет физический адрес (IP-адрес).
IP-адрес —это уникальный номер, однозначно идентифицирующий компьютер в Internet.
IP-адрес представляет собой четыре десятичных числа (от 0 до 255), разделенных точками, например, 194.67.67.97 (после последнего числа точка не ставится). Каждое число соответствует информационному объему в 1 байт или 8 бит.
Расшифровка такого адреса ведется слева направо. Обычно первый и второй байты — это адрес сети, третий байт определяет адрес подсети, а четвертый — адрес компьютера в подсети.
| 192.168.0.1 |
| 192.168.0.3 |
| 192.168.0.2 |
IP-адреса соединенных компьютеров.
В какой-то мере физический адрес аналогичен обычному телефонному номеру, однако, человеку пользоваться им неудобно. Поэтому в Интернет была введена Доменная Система Имен (DNS — Domain Name System).
Доменная система именставит в соответствие числовому IP-адресу компьютера уникальное доменное имя
Доменные имена и IP-адреса распределяются международным координационным центром доменных имен и IP-адресов (ICANN), в который входят по 5 представителей от каждого континента.
Основным преимуществом этой системы является наглядность. Адрес разбивается на несколько полей, причем ни количество полей, ни их размер не ограничены.
Доменная система имен имеет иерархическую структуру: домены верхнего уровня — домены второго уровня — домены третьего уровня. Домены верхнего уровня бывают двух типов: географические (двухбуквенные — каждой стране соответствует двухбуквенный код) и административные (трехбуквенные).
России принадлежит географический домен ru. Давно существующие серверы могут относиться к домену su (СССР).
| Административные | Тип организации | Географические | Страны |
| com | коммерческие | ca | Канада |
| edu | образовательные | de | Германия |
| gov | Правительственная США | jp | Япония |
| int | Международная | ru | Россия |
| mil | Военная США | su | СССР |
| net | Компьютерная сеть | uk | Англия |
| org | Некоммерческая | us | США |
Доменные имена читаются справа налево. Домен верхнего уровня расположен в крайнем справа поле. Все остальные поля адреса отдаются на усмотрение страны, за которой закреплен домен верхнего уровня. Например левее индекса страны может стоять сокращенное название города: spb — Санкт-Петербург, e-burg — Екатеринбург и т.д. Затем может идти название организации, имеющей локальную сеть. Например, et — электротехнический университет. Далее может идти название подразделения: ok — отдел кадров.
Рассмотрим конкретный адрес: sch458.spb.ru. Домен высшего уровня ru означает, что компьютер с этим именем находится в Российской Федерации, затем идет домен второго уровня spb, что означает – в Санкт-Петербурге, и лишь домен третьего уровня — sch458 – реальный компьютер – соответствует организации, за которой числится данный доменный адрес – это имя в Интернете принадлежит нашей школе.
Все DNS-адреса преобразуются в IP-адреса с помощью специальных DNS-серверов, которые на узлах сети извлекают из баз данных символические имена и заменяют их физическими адресами компьютеров. На базе DNS-адресов строятся также адреса электронной почты и адреса информационных ресурсов Интернета.
IP-адрес или соответствующее ему доменное имя позволяют однозначно идентифицировать компьютер в сети Internet, но дело в том, что на компьютере может присутствовать множество различной информации в различных форматах, например, в виде файлов, электронных сообщений, страниц и т.п. Для того, чтобы можно было безошибочно получать нужную информацию и в нужном формате используется строка символов, которую называют универсальный указатель ресурса. Эта строка однозначно идентифицирует любой ресурс в сети Internet. Именно такая строка отображается вадресной строке браузера, когда мы осуществляем поиск в Internet
Универсальный указатель ресурса или URL(Universal Resource Locator) включает в себя протокол доступа к документу, доменное имя или IP-адрес сервера, на котором находится документ, а также путь к файлу и имя файла:
s UEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAPQFAAAAAA== «/>http://yandex.ru/info/search.html
| протокол |
| путь |
| файл |
| Доменное имя или IP-адрес |
либо: http://213.82.46.1/info/search.html
Структура URL — универсального указателя ресурса.
В данном примере использован наиболее часто используемый протокол http:// – протокол передачи гипертекста.
Источник
