Коммутация и маршрутизация телекоммуникационных систем

 

 

В телекоммуникационных системах различают несколько видов передачи информации - выделенный канал (рассмотренные нами ранее, поэтому на них останавливаться не будем), коммутация пакетов, коммутация сообщений, коммутация пакетов сообщений.

Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Существуют следующие методы коммутации [2]: коммутация цепей (каналов); коммутация с промежуточным хранением, которая разделяется на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Давайте представим себе железнодорожную компанию «ЖелДорБанкрот», которая формирует отправляемые составы исходя из числа пассажиров, купивших билет на рейс. Вместо того, чтобы проанализировать пассажиропоток и загруженность железнодорожной сети, компания всякий раз отправляет избыточное число вагонов. Это и экономические потери и крайне не эффективное использование путей. Примерно по этой же схеме работает метод коммутации сообщений.

Технология коммутации сообщений относится к технологии типа "запомнить и послать". Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение "главный - подчиненный" [2]. Все операции по хранению и пересылке сообщений фактически выполняются в центре коммутации сообщения (ЦКС), представляющей собой коммуникационную ЭВМ. Именно эта ЭВМ управляет входящими и выходящими потоками сообщений, учитывает уровни приоритетов поступающих сообщений. Естественно, высокоприоритетные задачи задерживаются в ЦКС значительно меньше тех, что имеют более низкий приоритет.

ПРИМЕЧАНИЕ

Коммутация сообщения преобладала над другими видами передачи сравнительно давно, порядка 40 лет назад. До сих пор она широко используется при передаче электронной почты, рассылках новостей, телеконференциях.

При коммутации сообщений каждое сообщение в процессе передачи от источника к приемнику, проходя соответствующие ЦКС, сохраняет свою целостность, являясь единичным объектом передачи. Это означает, что какова бы не была длина сообщения, передается оно целиком. Важно отметить, что транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. Это существенным образом снижает производительность ресурсов вычислительной сети, что экономически не целесообразно.

Прежде чем переходить к недостаткам метода вспомним «ЖелДорБанкрот», которая крайне не эффективно использовала свои возможности. Также как и вышеупомянутая компания метод коммутации сообщений обладает рядом узких мест, к которым можно отнести:

  • для успешной передачи сообщений, длина которых заранее не известна, требуется наличие в узлах передачи буферных запоминающих устройств большого размера;

  • существенные ограничения по организации работы в оперативном режиме (режиме реального времени);

  • коммуникационные возможности коммутатора сообщений и его пропускная способность могут ограничивать число сообщений, передаваемых в единицу времени;

  • использование соединения типа «главный-подчиненный» ненадежно, т.к. при выходе из строя коммутатора сеть перестает работать;

  • каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением [2].

Начав с недостатков, мы обязательно должны указать преимущества метода коммутации сообщений:

  • не требуется заблаговременно устанавливать канал связи между абонентами;

  • можно организовать системы обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

  • существует возможность сглаживания пиковых нагрузок, т.к. низкоприоритетные задачи могут запоминаться в ЦКС и отправляться после спада основной нагрузки;

  • отсутствуют потери запросов на обслуживание.

Когда используется коммутация пакетов, данные (сообщения), которые необходимо передать разбиваются на короткие пакеты, имеющие фиксированную длину. Каждый пакет снабжается дополнительной информацией в соответствии с протоколом, используемым для его передачи (см. п. 5.6). Пакеты, принадлежащие одному и тому же пользовательскому сообщению, как правило, передаются по различным маршрутам1 в составе дейтаграмм. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации пакетов (ЦКП). Пакеты в ЦКП долго не хранятся, а значит, доставляются получателю с минимально возможными задержками, где из них восстанавливается исходное сообщение.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет осуществлять [2]:

  • менее затратное подключение к коммутаторам дополнительных линий связи;

  • маршрутизацию в обход поврежденных или занятых узлов связи, это увеличивает скорость работы и надежность передачи информации, а также повышает эффективность использования сетевых ресурсов.

Для увеличения производительности телекоммуникационных систем используется мультиплексирование с помощью разделения времени, когда один канал эксплуатируется несколькими пользователями одновременно. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. В настоящее время коммутация пакетов является основной для передачи данных.

При коммутации цепей (каналов) связь между абонентами устанавливается заблаговременно и на протяжении всего сеанса передачи, данные проходят по каналу с постоянной полосой пропускания в режиме реального времени. Канал связи формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Коммутационное устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Часто бывает так, что при попытке установить канал связи, вызываемая сторона (или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова) занята. В этом случае сигнал вызова блокируется, а вызывающий абонент через некоторое время должен его повторить. Из-за этого время установления соединения может существенно возрастать [2].

После того как соединение установлено, ЦКК выполняет минимальный набор сервисных функций по поддержанию соединения и организации временных каналов. В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

  • большое время установления сквозного канала связи;

  • необходимость повторной передачи сигнала вызова, если линия занята2;

  • отсутствие возможности выбрать скорость передачи информации;

  • высокая вероятность монополизации канала одним источником информации;

  • трудности, связанные с увеличением числа каналов и обеспечением равномерности их загрузки.

Преимущества метода коммутации цепей:

  • работа в режиме реального времени;

  • широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).

Теперь мы вплотную подошли к проблеме выбора оптимального маршрута доставки информации от отправителя к получателю. Этот процесс называется маршрутизацией, а выбор маршрута производится в соответствии с используемым алгоритмом маршрутизации.

ПРИМЕЧАНИЕ

Если говорить о сетях, то в подсети, использующей дейтаграммную службу выбор маршрута для каждого пакета должен производиться заново, т.к. оптимальный маршрут мог измениться. Если используются виртуальные каналы, маршрут выбирается только при создании нового виртуального канала [12].

Основную цель маршрутизации можно определить следующим образом – доставка пакета получателю за минимально возможное время, при сохранении требуемой пропускной способности и минимальных потерях информации. Здесь приходится учитывать и топологию сети и то, что маршрутизаторы (коммуникационные устройства, осуществляющие пересылку и маршрутизацию), а также линии связи могут выйти из строя.

В отечественной литературе, например, в [2] выделяют три способа маршрутизации: централизованная маршрутизация (выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, что чревато отказом всей сети при выходе из строя центрального узла); распределенная маршрутизация (функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, а значит, обеспечивается большая гибкость); смешанная маршрутизация сочетает принципы централизованной и распределенной маршрутизации.

Почему вопросами создания алгоритмов маршрутизации до сих пор занимается огромное количество ученых и инженеров, несмотря на то, что технология с успехом работает много лет? Ответ предельно просто и заключается в следующем – мы не знаем как будет изменяться нагрузка в сети в следующий момент времени. Хотя крайне важными параметрами остаются топология сети и ее изменение (в результате отказов узлов и линий связи, а также при подключении новых), а также различная пропускная способность участков сети. Но оба эти параметра можно определить и передать маршрутизаторам. А значит, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний телекоммуникационной системы [2].

Рассмотрим несколько наиболее известных и широко применяемых алгоритмов маршрутизации. Сначала давайте проведем черту между существующими алгоритмами. Они разделяются на два больших класса: адаптивные и неадаптивные. Вместо того чтобы учитывать топологию сети и изменение ее состояния, а также измерять текущий трафик неадаптивные алгоритмы выбирают маршруты заранее. Полученный список маршрутов загружается в маршрутизаторы на этапе загрузке сети. Эта процедура называется статической маршрутизацией. Адаптивные алгоритмы напротив охотно пользуются всеми параметрами, которые можно измерить.

Вне зависимости от топологии сети и интенсивности трафика все алгоритмы маршрутизации базируются на принципе оптимальности и концепции кратчайшего пути. В соответствии с принципом оптимальности, если маршрутизатор B располагается на оптимальном маршруте от маршрутизатора A к маршрутизатору C, то оптимальный маршрут от маршрутизатора B к маршрутизатору C совпадает с частью первого маршрута [12].

ПРИМЕЧАНИЕ

Концепция кратчайшего пути, чаще всего поясняется на графах, где каждый узел сети – вершина графа, а дуга – линия связи. В этом случае для поиска кратчайшего пути на графах используется, например, алгоритм Дейкстры.

Наиболее простой статический алгоритм маршрутизации – заливка. Здесь можно провести аналогию с методом полного перебора из методов оптимизации и поиска экстремума функции. Суть заливки заключается в том, что каждый пришедший пакет посылается на все исходящие линии, кроме той, по которой он поступил. Это порождает бесконечное число дублированных пакетов. Для ограничения количества тиражируемых пакетов используются счетчики, которые помещаются в заголовок пакета и уменьшаются при прохождении каждого маршрутизатора. Если счетчик обнуляется, то такой пакет удаляется. Кроме данного метода применяются еще ряд вариаций на тему счетчиков и помещения в заголовки номера пройденного узла.

Однако на практике применяется выборочная заливка. Отличие его состоит в том, что пакеты посылаются не на все исходящие линии, а только на те, которые идут в приблизительно правильном направлении. Такой «громоздкий» алгоритм может подойти военным, где вероятность потери части сети из-за боевых действий велика, а также для тестирования других алгоритмов. Напомним, что также как и метод полного перебора, заливка рано или поздно найдет оптимальный маршрут.

На практике, современные системы телекоммуникаций применяю не статические, а динамические алгоритмы маршрутизации.

1 Здесь стоит отметить, что пакеты будут, скорее всего, передаваться одновременно

2 Поэтому такие системы относятся к классу систем с потерей запросов на обслуживание

 


Лекция добавлена 28.02.2013 в 00:29:44