Анализ и оценка методов коммутации и маршрутизации пакетов в сетях (диплом)

 

Содержание
Введение 3
1 Анализ методов коммутации в сетях 6
1.1 Понятие коммутации каналов 7
1.2 Понятие коммутации пакетов 14
1.3 Оценка методов коммутации в сетях 24
2 Анализ методов маршрутизации в сетях 35
2.1 Понятие протоколов маршрутизации 35
2.2 Построение таблицы маршрутизации 43
3 Особенности маршрутизации в сети Internet 50
3.1 Основы маршрутизации в сети Internet 50
3.2 Специфика одноканальных и многоканальных соединений 53
3.3 Особенности адресации в сети Internet 59
Заключение 68
Глоссарий 72
Список использованных источников 74
Приложения 78

Содержание

 

Введение 3
1 Анализ методов коммутации в сетях 6
1.1 Понятие коммутации каналов 7
1.2 Понятие коммутации пакетов 14
1.3 Оценка методов коммутации в сетях 24
2 Анализ методов маршрутизации в сетях 35
2.1 Понятие протоколов маршрутизации 35
2.2 Построение таблицы маршрутизации 43
3 Особенности маршрутизации в сети Internet 50
3.1 Основы маршрутизации в сети Internet 50
3.2 Специфика одноканальных и многоканальных соединений 53
3.3 Особенности адресации в сети Internet 59
Заключение 68
Глоссарий 72
Список использованных источников 74
Приложения 78

 

Введение

Актуальность темы исследования. Когда компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации, остается нерешенной самая важная проблема: каким способом передавать данные между конечными узлами? Особую сложность приобретает эта задача для неполносвязной топологии сети, когда обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Исторически коммутация каналов появилась намного раньше коммутации пакетов и ведет свое происхождение от первых телефонных сетей. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности физического канала является принципиальным ограничением сети с коммутацией каналов [30, c.77].

Принцип коммутации пакетов был изобретен разработчиками компьютерных сетей. При коммутации пакетов учитываются особенности компьютерного трафика, поэтому данный способ коммутации является более эффективным для компьютерных сетей по сравнению с традиционным методом коммутации каналов, применяющимся в телефонных сетях.

Однако достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. Наличие буферной памяти в коммутаторах пакетных сетей позволяет эффективно использовать пропускную способность каналов при передаче пульсирующего трафика, но приводит к случайным задержкам в доставке пакетов, что является недостатком для трафика реального времени, который традиционно передается с помощью техники коммутации каналов.

Таким образом, в сетях с маршрутизацией информации возникает задача маршрутизации данных. В системах с коммутацией каналов и при создании виртуального канала маршрутизация организуется один раз при установлении начального соединения. При обычных режимах коммутации пакетов и сообщений маршрутизация выполняется непрерывно по мере прохождения данных от одного узла коммутации к другому.

Существует два основных способа маршрутизации: с предварительным установлением соединения, при котором перед началом обмена данными между узлами сети должна быть установлена связь с определенными параметрами, и динамический, использующий протоколы дейтаграммного типа, по которым сообщение передается в сеть без предварительного установления соединения [23, c.183].

Маршрутизация заключается в правильном выборе выходного канала в узле коммутации на основании адреса, содержащегося в заголовке пакета (сообщения).

Наибольшее распространение получили три варианта адресации:  1) аппаратные адреса предназначены для сетей небольшого размера, поэтому они имеют простую неиерархическую структуру; 2) символьные адреса или имена предназначены для пользователей и поэтому  должны нести смысловую нагрузку; 3) числовые составные адреса фиксированного компактного формата, например, IP-адреса в сети Internet.

В современных сетях для адресации часто одновременно сочетаются все три варианта адресов. Пользователь указывает символьный адрес, который сразу же в сети заменяется на числовой (по таблицам адресов, хранимых на сервере имен сети). При поступлении передаваемых данных в сеть назначения числовой адрес заменяется на аппаратный.

Возможная технология адресации сообщений заключается в следующем. Компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети широковещательное сообщение с просьбой опознать свое числовое имя. Опознавшему адрес компьютеру высылается аппаратный адрес, а затем и само сообщение.

Актуальность работы определяется тем, что знание методов коммутации и маршрутизации пакетов в сетях является фундаментальной категорией, необходимой для понимания функционирования локальных сетей.

Степень научной разработанности темы исследования. Тема исследования  достаточно хорошо разработана в трудах отечественных и зарубежных авторов таких как, Адамс Б., Ченг Э., Фокс Т., Кесслер Э., Анкудинов Г.И., Анкудинов И.Г., Стрижаченко А.И., Берлин А.Н., Пескова С.А., Кузин А.В., Волков А.Н., Семенов Ю.А., Хелеби С., Олифер В.Г., Олифер Н.А. и др.

Объект исследования. Объектом исследования являются локальные сети.

Предмет исследования. Предмет исследования включает процессы коммутации и маршрутизации пакетов в локальных сетях.

Цель работы. Целью работы является анализ и оценка методов коммутации и маршрутизации пакетов в сетях.

В соответствии с целью работы ставим перед собой следующие задачи:

- провести анализ методов коммутации пакетов в сетях;

- провести анализ методов маршрутизации в сетях;

- исследовать особенности маршрутизации в сети Internet.

Теоретико-методологическая основа исследования. Теоретико-методологической базой исследования является использование метода сравнительного анализа, а также аналитических материалов крупнейших компаний – производителей аппаратного и программного обеспечения (Cisco и др.).

1 Анализ методов коммутации в сетях

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут. Например, в сети, показанной на рис. 1, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5 [32, c.167].

Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами А и В, а узел 5 — между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 — узел-отправитель, 1 и 5 — транзитные узлы, 4 — узел-получатель.

Рис. 1. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов

В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач [2, c.103].

1. Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты.

2. Маршрутизация потоков.

3. Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.

4. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.

Через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, например, через узел 5 (рис. 1) проходят, как минимум, все данные, направляемые узлом 4 каждому из остальных узлов, а также все данные, поступающие в узлы 3,4 и 10. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, для того чтобы обеспечивать передачу каждого из них именно на тот свой интерфейс, который ведет к нужному узлу.

1.1 Понятие коммутации каналов

Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и сегодня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания высокоскоростных магистральных каналов связи.

Первые сеансы связи между компьютерами были осуществлены через телефонную сеть, то есть также с применением техники коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети [3, c.18].

В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов. Соответственно  глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Для всех возможных потоков заранее определяются маршруты.

Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администратором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На основании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако, как уже было сказано, в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности [7, c.129].

Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала. Элементарный канал (или просто канал) — это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

Говоря о сетях с коммутацией каналов, термину «канал» придается значение единицы пропускной способности. Значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной способности для передачи ожидаемой предложенной нагрузки.

Например, в традиционных телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала сегодня является скорость 64 Кбит/с — это минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса [3, c.43].

Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы — передачи аналоговой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени [30, c.79] (рис. 2).

 

Рис. 2. Дискретная модуляция непрерывного процесса

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом — за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям — непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретизация по значениям) [15, c.212].

В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с: 8000 х 8 - 64 000 бит/с или 64 Кбит/с. Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Линии связи в сетях с коммутацией пакетов (как и в остальных типах компьютерных сетей) имеют разную пропускную способность, одни — большую, другие — меньшую. Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут возникнуть в разных фрагментах сети — чем ближе к центру сети, тем выше пропускная способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого количества периферийных линий связи.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является го, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов. Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2,24 или 30 элементарных каналов, а линии, соединяющие коммутаторы, — 480 или 1920 каналов [21, c.322].

Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис. 3.

 

Рис. 3. Составной канал в сети с коммутацией каналов

Предположим, что эта сеть характеризуется элементарным каналом Р бит/с. В сети существуют линии связи разной пропускной способности, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. На рисунке показаны два абонента, А и В, генерирующие во время сеанса связи (телефонного разговора) информационный поток, для которого в сети был предусмотрен маршрут, проходящий через четыре коммутатора 51, 52, 53 и 54.

Предположим также, что интенсивность информационного потока между абонентами не превосходит 2Р бит/с. Тогда для обмена данными этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных от пункта А к пункту В. На рисунке эти  элементарные каналы, необходимые абонентам А и В, обозначены толстыми линиями.

Связь, построенную путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называют составным каналом. В рассматриваемом примере для соединения абонентов А и В был создан составной канал  «толщиной» в два элементарных канала. Если считать, что предложенная нагрузка гарантированно не превысит Р бит/с, то абонентам будет достаточно иметь в своем распоряжении составной канал, «толщиной» в один элементарный канал [21, c.334].

В то же время абоненты, интенсивно обменивающиеся данными, могут предъявить и более высокие требования к пропускной способности составного канала. Для этого они должны в каждой линии связи зарезервировать за собой большее (но непременно одинаковое для всех линий связи) количество элементарных каналов.

Следует отметить следующие свойства составного канала [10, c.92]:

- составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов;

- составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;

- составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;

- на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;

- в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;

- данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;

- после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи (обычная ситуация для телефонной сети, в которой одновременно передаются разговоры сотен и тысяч абонентов). Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов.

Например, мы можем предположить, что после того как в линии связи 52-53 было выделено два канала для связи абонентов А и В, оставшиеся три элементарных канала были распределены между тремя другими сеансами связи, проходившими в это же время и через эту же линию связи. Такое мультиплексирование позволяет одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений.

Мультиплексирование означает, что абоненты вынуждены конкурировать за ресурсы, в данном случае за элементарные каналы. Возможны ситуации, когда некоторая промежуточная линия связи уже исчерпала свободные элементарные каналы, тогда новый сеанс связи, маршрут которого пролегает через данную линию связи, не может состояться [43, c.192].

Для того чтобы распознать такие ситуации, обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором сеанса связи (например, абонент А в нашей сети), посылает в коммутационную сеть запрос, представляющий собой сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента, например абонента В.

Цель запроса — проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. А для этого требуется соблюдение двух условий: наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от А к В, и незанятость вызываемого абонента в другом соединении.

Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной пары абонентов. При этом используются глобальные таблицы коммутации, ставящие в соответствие глобальному признаку потока (адресу вызываемого абонента) идентификатор выходного интерфейса коммутатора (такие таблицы часто называют также таблицами маршрутизации) [41, c.176].

Если в результате прохождения запроса от абонента А к абоненту В выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, происходит фиксация составного канала. Для этого во всех коммутаторах вдоль пути от А до В создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока — номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи. Только после этого составной канал считается установленным, и абоненты А и В могут начать свой сеанс связи [30, c.84].

Таким образом, продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа:

 

1. В сеть поступает служебное сообщение — запрос, который несет адрес вызываемого абонента и организует создание составного канала.


Заказать диплом

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить