ГЛАВА 6. Стохастические модели компьютерных сетей

6.1 Структура и информационное обеспечение компьютерных сетей

6.1.1 Структура компьютерных сетей

В настоящее время наблюдается бурный количественный и качественный рост компьютерных сетей. Эта тенденция, которая очевидно сохранится в ближайшие десятилетия, хорошо иллюстрируется беспрецедентным ростом сети Интернет, охватившей все страны мира. Локальные компьютерные сети, являющиеся основой автоматизации деятельности отдельных предприятий и фирм, и распределенные сети, охватывающие города, регионы и континенты, проникли во все сферы человеческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, образование, промышленность и т.д.

Современные компьютерные сети обеспечивают пользователям широкий набор услуг, включая электронную почту, передачу факсимильных и голосовых сообщений, работу с удаленными базами данных в реальном масштабе времени, службу новостей и другие услуги. На базе компьютерных сетей реализуются: дистанционное обучение, телемедецина, телеконференции, телебиржи и телемагазины и т.д.

Быстрый рост числа компьютерных сетей, успехи в развитии оптоволоконных и беспроводных средств связи, сопровождаются непрерывной сменой сетевых технологий, направленной на повышение быстродействия и надежности сетей, возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации.

Основным направлением развития технологий локальных сетей явилось создание семейства технологий Ethernet - Fast Ethernet - Gigabit Ethernet, обеспечивающее иерархию скоростей 10/100/1000 Мвит/с; в глобальных сетях осуществился переход от технологии Х25 к технологии Frame Relay, использованию стека протоколов TCP/IP, технологий ATM и Gigoethernet.

Компьютерные сети часто условно делят на три категории: глобальные сети (Wide Area Network, WAN), городские сети (Metropolitan Area Network, MAN) и локальные сети (Local Area Network). Логическая, программная и физическая структура глобальных и городских (региональных) сетей практически совпадает. Отличие состоит лишь в охвате территории и скоростях передачи информации. В то же время имеют место существенные различия в механизме передачи информации локальных и глобальных сетей. Глобальные сети ориентированы на соединение; до начала передачи данных между абонентами устанавливается соединение. В локальных сетях реализованы методы, не требующие предварительного установления соединения -пакеты данных посылаются без подтверждения готовности получателя к обмену. Структура глобальной компьютерной сети представлена на рис. 6.1.

В структуре глобальной компьютерной сети могут быть выделены следующие иерархические уровни: локальные сети; региональные (городские) сети, в которых часто реализуется технология Х25, Frame Relay; магистральная (базовая) сеть, включающая междугородные и международные каналы связи и высокоскоростные узлы коммутации (УК). Современные базовые сети обеспечивают транспортный сервис для территориально распределенных локальных и городских сетей и в последние годы активно переходят на использование технологий ATM и Gigoethernet.

В топологически распределенной базовой сети используют различные методы коммутации: коммутацию каналов, сообщений и пакетов.

При коммутации каналов для связи двух абонентов сети организуется составной канал, состоящий из отдельных транзитных участков, закрепленных за парой абонентов на все время сеанса связи. После окончания сеанса связи составной канал распадается на отдельные участки, которые могут быть использованы для организации других составных каналов. Существенным недостатком этого типа коммутации является невозможность использования временно закрепленных за конкретным соединением участков для связи между другой парой абонентов.

(см. скан)

Рис. 6.1. Структура глобальной компьютерной сети

Коммутация каналов особенно неэффективна для диалогового режима, характеризующегося передачей коротких порций информации и значительными интервалами времени между ними.

Указанных недостатков лишен метод коммутации сообщений, в соответствии с которым сообщение передается от одного УК к другому, пока не достигнет адресата. При использовании этого метода сообщение в каждый момент занимает только один канал связи на пути между источником и адресатом или ожидает в очереди освобождения канала, находясь в буферном пуле УК.

Коммутация пакетов в общих чертах совпадает с коммутацией сообщений, за исключением того, что сообщение разбивается на части, называемые пакетами. Пакеты нумеруются, снабжаются адресом (как при коммутации сообщений) и независимо передаются по сети. Таким образом, пакеты одного и того же сообщения могут одновременно передаваться по сети, существенно снижая тем самым общее время доставки сообщения и эффективно используя пропускную способность каналов связи. Другое важное преимущество метода коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений состоит в сокращении необходимых для промежуточного хранения объемов буферов в УК (так как пакеты имеют ограниченную максимальную длину). Указанные преимущества предопределили использование коммутации пакетов в качестве основного метода коммутации в базовой сети передачи данных. Указанный метод реализуется как в сетях Х25 и IP, так и в сетях с технологией Frame Relay (коммутация кадров) и ATM (коммутация ячеек).

В сети пакетной коммутации обычно реализуется один из двух методов доставки пакетов: метод датаграммм или метод виртуальных соединений. В первом случае пакеты одного и того же сообщения независимо (по разным путям) передаются от источника к адресату, что позволяет эффективно использовать коммутационные ресурсы сети и сокращает время доставки сообщения. Однако в силу независимой передачи по сети пакетов они могут поступать в адресат не в той последовательности, в какой были отправлены. Это усложняет процедуру сборки сообщения, осуществляемую по номерам пакетов, составляющих сообщение.

Применение метода виртуального соединения гарантирует поступление всех пакетов сообщения без нарушения порядка. В этом смысле виртуальное соединение обладает одним из основных свойств реального физического канала - сохранения последовательности передаваемой информации. При этом очевидно, что один и тот же физический канал связи доступен для одновременного использования во многих виртуальных соединениях.

Организация виртуального соединения требует выполнения функций его установления и ликвидации и состоит из фазы вызова, фазы обмена пакетами и фазы окончания. Первый пакет «запрос вызова» (call reguest) в соответствии с принятым в сети алгоритмом маршрутизации передается адресату, который может принять или отклонить вызов. Если вызов принят, то источнику предлагается пакет согласия на соединение, после чего по установленному пути отправляются пакеты данных. Сеанс связи заканчивается обменом между источником и адресатом пакетом ликвидации соединения и пакетом подтверждения рассоединения.

Виртуальное соединение может устанавливаться также на определенный промежуток времени (такое соединение называют постоянным). При этом, в отличие от коммутируемого виртуального соединения, процедуры установления и ликвидации постоянного соединения реализуются соответственно только в начале и конце указанного времени. При использовании постоянных виртуальных соединений в сети пакетной коммутации обычно применяется фиксированная маршрутизация, в соответствии с которой между каждой парой источник-адресат заранее выбирается оптимальный по некоторому критерию путь.