Что такое задержка передачи пакетов в сети. Пакетная телефония. Базовые технологии локальных сетей

Рис. 9. Организация телефонной связи в гибридных сетях

Одно из самых важных требований к проекту сети - обеспечение совместимости телефонной сигнализации. УПАТС корпоративных сетей оснащаются самыми различными интерфейсами. Для того чтобы каждый филиал имел надежную телефонную связь, нужно поддерживать все стандартные типы сигнализации. Любой филиал может быть соединен по иному сигнальному интерфейсу - в зависимости от того, по какому маршруту произошла коммутация (или маршрутизация) вызова. Совместимость типов сигнализации и их преобразование необходимы для организации надежной и устойчивой телефонной связи в сети на основе коммутации пакетов.

Соответствие стандартам гарантирует беспроблемную работу в сети оборудования разных производителей. Не забывайте, что ключ к построению эффективной и надежной сети - тестирование и еще раз тестирование.

Помните, что пакетная телефония не только обеспечивает заметную экономию на телефонных счетах, но и при вносит массу дополнительных функций. К их числу относятся:

цифровая интерполяция речи . Этим термином компания Motorola обозначает механизм, поддерживающий передачу данных во время пауз в телефонном разговоре;
подавление эха на ближнем и дальнем концах соединения. Эхо мешает телефонному разговору и возникает из-за несогласования входного и выходного импенданса дифференциальных систем, обеспечивающих переход с двухпроводной на четырехпроводную линию на местных АТС;
факсимильная связь поверх IP или FR. Позволяет передавать факсы в пакетных сетях;
аудиовещание - передача объявлений одновременно во многие филиалы;
использование централизованной таблицы коммутации . За счет этой таблицы значительно упрощается расширение сети, поскольку требуется настройка только одного телефонного узла коммутации;
поддержка тонального и импульсного набора . Обеспечивает совместимость телефонных аппаратов разного типа;
применение серийного номера . Он позволяет соединиться с организацией по любой из незанятых линий, объединенных в группу под одним номером. Устройство доступа с интеграцией речи выступает в роли УПАТС, осуществляющей динамическое распределение вызовов по свободным линиям;
передача речи и данных по одному DLCI . Помогает сэкономить значительные средства: пользователь оплачивает лишь один DLCI, используя его как для передачи данных, так и для всех исходящих звонков;
альтернативная маршрутизация вызовов . В случае, если основной канал занят или вышел из строя, можно звонить по резервному маршруту;
группирование телефонных каналов . За счет объединения нескольких речевых пакетов в один пакет IP или кадр FR снижаются объем служебного трафика и требования к пропускной способности сети;
подавление пауз . Канал освобождается от передачи "пустых" пакетов во время пауз в телефонном раз говоре, а в результате, другому трафику предоставляется дополнительная полоса пропускания.

На этапе планирования важно уяснить как текущие, так и потенциальные потребности организации. Причина проста: необходимо получить стабильное, надежное и работоспособное решение. Гарантии производителя, связанные с модернизацией модулей программного и аппаратного обеспечения для поддержки будущих стандартов, чрезвычайно важны для надежной защиты капиталовложений.

Классы, типы и качество

Определяя, какие преимущества дают классы (CoS) и качество (QoS) обслуживания, следует понять, чем они отличаются друг от друга применительно к пакетной телефонии.

CoS - это способ улучшения условий транспортировки данных, он задает схему установки приоритетов различным типам сетевого трафика. Изначальный стандарт FR не имеет механизма, обеспечивающего преимущество одного пакета над другим. По этой причине на каждом узле доступа следует реализовать CoS: тогда данные будут получать приоритеты до их поступления в сеть. Именно так строится современная сеть VoFR. По этому сценарию речь и любой другой трафик реального времени, например видео, получает более высокий приоритет, чем другие данные, перед поступлением в сеть. Как только информация попала в сетевое облако, все кадры считаются равными.

Протокол IP v.4 также не имеет механизма обеспечения CoS. IP v.6 (его называют также IPng, где "ng" обозначает "следующее поколение") позволяет устанавливать приоритеты, но вряд ли эта версия получит широкое распространение даже в начале следующего века. IP v.6 вносит дополнительные задержки из-за увеличения до 40 байт (в базовой конфигурации) размера заголовка. Тем временем протоколы RTP, RSVP и ToS (тип обслуживания) могут обеспечить временное решение проблем CoS в сегодняшних корпоративных и ведомственных сетях IP.

ToS - один из самых простых способов установления приоритетов в существующих IP-сетях, хотя поле ToS и не входит в оригинальную спецификацию IP v.4. Поле ToS состоит всего из одного байта, но его реализацию признали слишком сложной, потому-то оно и пребывало в забвении долгие годы. Но в условиях мультимедийного бума преимущества перевешивают недостатки. Поле ToS задает параметры задержек и пропускной способности, оно совместимо с протоколами маршрутизации, например OSPF, и обеспечивает соблюдение приоритета пакета на всем пути его следования по сети. Многие производители начали реализовать ToS в своих устройствах, делая первый шаг по пути классификации обслуживания в сетях IP.

QoS улучшает связь между двумя оконечными точками, выделяя для этого гарантированную полосу пропускания. ТфОП, базирующаяся на коммутации каналов, предоставляет очень высокое качество обслуживания по той простой причине, что после установления соединения ее абоненты получают в свое полное распоряжение выделенный канал связи. С другой стороны, в ТфОП невозможно внедрить CoS, поскольку предоставляются выделенные, а не разделяемые каналы.

Пакетная телефония требует принципиального иного подхода к QoS, поскольку сети передачи данных являются средой ресурсов совместного использования. Соглашения о CIR и постоянные виртуальные каналы (PVC) сетей FR гарантируют выделение полосы пропускания, необходимой для телефонной связи. Гибкие протоколы реального времени идут дальше простого определения параметра CIR. Они позволяют мультиплексировать голос и данные в общем PVC или разделять их по отдельным PVC в зависимости от решаемых задач, конфигурации сети и требуемых затрат. Кроме того, благодаря назначению Bc FR дает гибкость при передаче "всплесков" трафика в часы наибольшей нагрузки. Абонент может подписаться на доступ к сети FR и оплатить канал из расчета средних потребностей своей сети, получив право при необходимости передавать трафик сверх установленной нормы.

FR или IP

Инфраструктура ТфОП базируется на проверенных временем телефонных кабелях. Медная пара является основой абонентских сетей во всем мире, общая протяженность которых измеряется миллионами километров.

Пакетная телефония разрывает эту зависимость от определенного типа носителя и обеспечивает гибкость в использовании широкого спектра проводных и радиоустройств. Коммутация пакетов допускает передачу по меди, оптоволокну, коаксиальному кабелю, радиоканалу или той среде, которая может появиться в будущем. Это преимущество позволяет организациям устанавливать экономически эффективную кабельную систему, легко наращиваемую под будущие требования, а альтернативным операторам - избегать затрат на аренду абонентских линий у региональных телефонных компаний.

Технология пакетной телефонии снимает ограничения на среду передачи. Протоколы передачи данных выделяют физический уровень как отдельный, делая возможными сквозные соединения в гетерогенных физических инфраструктурах.

Есть несколько фундаментальных различий в принципах обслуживания сетями FR и IP различных видов трафика. Так, стандарты FR базируются на семиуровневой ЭМВОС. Отсюда можно сделать вывод, что каждый коммуникационный уровень имеет свои, независимые от других уровней, протоколы. Преимущество такого подхода - гибкость интеграции новых протоколов в эту модель. Хотя IP часто связывают с ЭМВОС, определения данного протокола менее строги. Объясняется это тем, что IP был разработан до создания ЭМВОС. Как бы то ни было, ныне ЭМВОС используется в качестве теоретической модели для описания любых протоколов, что облегчает понимание их базовой структуры.

FR работает независимо от уровней ЭМВОС с третьего (сетевого) по седьмой (прикладной). Поддержка таких стандартов, как RFC 1490, особенно важна сегодня, поскольку позволяет связать FR со столь важными протоколами, как IP, IPX и SNA.

Реализация пакетной телефонии требует создания новой основы, которая еще теснее свяжет ее с FR. Такая спецификация уже подготовлена консорциумом Frame Relay Forum в документе FRF.11.

Недавно появившийся мультимедийный стандарт H.233 Международного союза электросвязи (МСЭ) предназначен для сетей, не гарантирующих доставку информации. H.323 прописан до уровня настольного ПК и определяет основы аудио-, видео- и компьютерной связи в пакетных сетях, в том числе работающих по протоколам IP и FR. Этот стандарт предлагает средства, с помощью которых устройства разных производителей в процессе установления связи могут "согласовывать" свои возможности (например, посылая запрос типа "Поддерживаешь ли ты видео?"), а затем активизировать доступные функции. Подмножество стандартов H.323 тесно связано с IP, что обеспечивает использование всевозможных видов связи, в том числе видео- и аудиоконференций (VoIP), а также интерактивной переписки типа white board.

С точки зрения реализации обычного телефонного разговора, разница между VoIP и VoFR может казаться и не столь существенной. Контраст между этими транспортными протоколами становится особенно заметным при анализе возможностей передачи трафика данных, не относящегося к протоколам семейства IP (т. е. трафика протоколов SNA, IPX и целой группы устаревших). Вот где проявляются самые сильные стороны FR.

* * *

Изменение парадигмы пакетной телефонии будет иметь позитивное и продолжительное воздействие на развитие отрасли телекоммуникаций. Пакетная телефония уже заметно изменила отношения в этой отрасли. Но еще более значимыми окажутся изменения, которые произойдут с появлением на рынке устройств и технологий с новыми полезными и эффективными функциями. Например, в первой половине следующего десятилетия ожидается появление алгоритмов сжатия, которые позволят передавать речь в полосе всего лишь 2,4 кбит/с.

По мере конвергенции телефонных и компьютерных сетей следует ожидать снижения стоимости услуг и появления более широкого выбора у абонентов. Установление телефонных соединений в следующем десятилетии, вероятно, будет происходить совсем не так, как сегодня. Можно будет позвонить через ТфОП, ISDN, ATM, FR или IP, а также через любую их комбинацию.

Но не забудьте о тех преимуществах, которые пакетная телефония дает уже сегодня. Не откладывайте внедрения VoIP или VoFR в сетях, наиболее активно используемых вашей компанией, там, где эти технологии принесут быструю экономическую отдачу и превосходство над конкурентами. Затем переходите к следующей фазе.

В заключение хочу сказать, что нельзя внедрять мультимедиа-связь в существующих маршрутизируемых сетях без понимания сути IP и FR. Экономически эффективное решение, позволяющее предоставлять услуги пакетной телефонии высокого качества, можно создать только после тщательного проектирования сети. Сложилось ошибочное мнение, что для интеграции пакетной телефонии в имеющиеся сети их необходимо радикальным образом изменять. Эта точка зрения далека от истины.

Пакетная телефония становится логичным расширением функциональности любой корпоративной сети IP или FR. Ее успешное внедрение определяется качеством проектирования сети - особенно того, как будет осуществляться управление нагрузкой, и какие способы борьбы с перегрузками будут использоваться (это очень важно при передаче изохронного трафика). Пакетная телефония может быть интегрирована в существующие корпоративные сети, а необходимые для этого затраты несопоставимы с потенциальными преимуществами.

ОБ АВТОРЕ

Габриэль Дюсиль - менеджер по маркетингу компании Motorola ING. С ним можно связаться по адресу

Инженеры, проводящие лабораторные тестирование коммутаторов, как оказалось, наибольшее значение придают одному параметру - пропускной способности. Почему? Поскольку пропускная способность поражает воображение пользователей и они убеждены, что именно этот параметр в основном определяет то, заслуживает ли этот коммутатор внимания.

Последние тесты коммутаторов Ethernet 10 Гбит/с показали, что с точки зрения пропускной способности они значительно отличаются друг от друга. Парадокс состоит в том, что чем быстрее сеть, тем меньшее значение имеет пропускная способность свитча.
Этот фактор, естественно, весьма важен, но только в тех случаях, когда сеть интенсивно загружена пакетами. В то же время задержка (то есть время, необходимое для переключения между портом ввода и порта вывода) играет важную роль для каждого типа движений пакетов, в каждой ситуации и в каждой сети.
Устройства, характеризующиеся большой величиной задержки, уменьшают скорость работы сети - и это происходит вне зависимости от того, загружена ли сеть на 1% или на 100%. Для того, чтобы приложения "запротестовали", задержки вовсе не должны составлять несколько сот миллисекунд.
Если говорить о коммутаторах, оснащенных интерфейсами Ethernet 1 и 10 Гбит/с, то чаще всего задержка у них составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд. До сих пор считается, что задержки, составляющие несколько десятков миллисекунд, не влияют на производительность сетевых приложений.
Отчасти это неверно. Даже небольшие задержки порядка нескольких десятков миллисекунд могут стать причиной резкого уменьшения производительности сетей Ethernet 1 и 10 Гбит/с. "Виновен" в этом, если так можно выразиться, протокол ТСР, а точнее, окна, необходимые этому протоколу для передачи пакетов в сеть.
Как работает ТСР? Отправитель высылает ограниченные порции данных таким образом, чтобы получатель мог выслать в обратном направлении информацию, подтверждающую их получение. Окна обеспечивают подтверждения о получении нескольких пакетов сразу, но если отправитель не получает от получателя за определенное время такого подтверждения, то все пакеты должны быть переданы повторно.
Поскольку в сети Интернет свыше 80% передач происходит с помощью протоколов ТСР, повторная передача пакетов может привести к значительному снижению работоспособности приложений, запущенных в той же среде.
Например, в сети работает коммутатор E1200 (Force10 Networks) и получает пакеты Ethernet длиной 1518 байт, соответствующих максимально возможной длине пакетов Ethernet и обычно используемых при передаче больших объемов данных. Использование сетей на этот момент умеренное, в пределах 10%. Коммутатор принимает 81274 пакета в секунду (один пакет принимается за 12 микросекунд).
В ОС Windows 2000 и XP размер пакета ТСР по умолчанию составляет 16 Кб. Это означает, что в сеть можно отправить без подтверждения их получения не более 11 пакетов. Для 11 пакетов (считая по 12 микросекунд на каждый), каждая задержка более 132 микросекунд будет означать, что данные будут высылаться повторно.
Последние тесты коммутаторов Ethernet 10 Гбит/с показали, что в устройствах Avaya и Force10 Networks задержка при переключении пакетов длиной 1518 байт составляет свыше 40 микросекунд. То есть одиннадцать таких задержек - и мы имеем дело с повторно передаваемыми через протокол ТСР пакетами. Компания Force10 представила свой коммутатор E1200 и сообщила, что задержки удалось уменьшить вполовину (теперь они составляют 23 микросекунды). При таких задержках в сетях Ethernet 10 Гбит/с и дальше происходит повторная передача пакетов, но в сетях 1 Гбит/с протокол ТСР уже не передает их повторно. Но размеры окон изменяются динамически: чем больше окошко, тем большее влияние имеют маленькие задержки.
Можно описать влияние окна ТСР на работу любой сети. Для того, чтобы это сделать, необходимо знать три параметра: длина пакетов, размер окна ТСР и степень использования сети.

Установка протокола TCP/IP

Протокол TCP/IP использует IP-адрес, маску подсети и шлюз по умолчанию для соединения с узлами. Узлы TCP/IP, работающие в глобальной сети, требуют задания всех трех параметров в конфигурации. Каждая плата сетевого адаптера в компьютере, использующем TCP/IP, нуждается в этих параметрах.

IP-адрес - это логический 32-разрядный адрес, однозначно определяющий узел TCP/IP. Каждый IP-адрес состоит из двух частей: идентификатора сети и идентификатора узла. Первый служит для обозначения всех узлов в одной физической сети. Второй обозначает конкретный узел в сети. Каждому компьютеру, использующему TCP/IP, требуется уникальный IP-адрес, например, 194.103.2.200.

Маска подсети выделяет часть IP-адреса и позволяет TCP/IP отличить идентификатор сети от идентификатора узла. Пытаясь связаться, узлы TCP/IP используют маску подсети (например, 255.255.255.0), чтобы определить, находится узел-получатель в локальной или удаленной сети.

Для того чтобы установить соединение с узлом из другой сети, вы должны сконфигурировать IP-адрес шлюза по умолчанию. TCP/IP посылает пакеты, предназначенные для удаленных сетей, на шлюз по умолчанию, но только в том случае, если на локальном узле не сконфигурирован другой маршрут к сети получателя. Если вы не сконфигурируете шлюз по умолчанию, то связь может быть ограничена локальной сетью.

Зайдите на Панель управления, а затем в раздел "Сеть". Если TCP/IP не числится в списке установленных сетевых протоколов, необходимо его установить. Затем выделите TCP/IP и нажмите на кнопку "Свойства". Если ваш компьютер включен в большую сеть, необходимо убедиться, что имя компьютера, домена и информация об IP-адресе не конфликтуют с сетью. В отличие от IP-адреса и маски подсети шлюз по умолчанию является необязательным параметром. Если вы его опустите, то область работы вашего компьютера ограничится локальной сетью.

Низкая задержка - важный фактор, обеспечивающий надежную работу и высокую производительность сетей. Приложения для общения в реальном времени, стриминга и проведения транзакций сильно зависят от времени ожидания. Увеличение задержки всего на несколько миллисекунд может привести к искажению изображения и голосов, «зависанию» приложений и финансовым потерям.

Провайдеры стараются следить за пропускной способностью сети и колебанием задержек, но увеличение «ширины» канала часто не влияет на задержку в работе сети. В этом материале мы рассмотрим основные причины задержки и способы борьбы с ней.

/ фото Thomas Williams

Задержка и ее влияние на качество связи

В сетях, основанных на пакетном обмене, связь между задержкой и пропускной способностью неоднозначна и сложна в определении. При этом время ожидания складывается из следующих компонентов:

• Задержка сериализации – время, необходимое порту для передачи пакета
• Задержка распространения – время, требуемое биту информации для достижения приёмника (обусловливается законами физики)
• Задержка при перегрузке – время, которое кадр проводит в выходной очереди элемента сети
• Задержка передачи – время, которое сетевой элемент тратит на анализ, обработку и передачу пакета

Управление трафиком

Специалисты компании Ashton, Metzler & Associates определяют термин «управление трафиком» как возможность сети обрабатывать разные виды трафика с разным приоритетом.

Этот подход используется в сетях с ограниченной пропускной способностью при работе важных приложений, чувствительных к задержкам. Управление может означать ограничение трафика для конкретных сервисов, например, электронной почты, и выделение части канала под работу критически важных бизнес-приложений.

Для управления трафиком и качеством связи в сети организации инженеры рекомендуют:

• Настроить сеть так, чтобы можно было проводить мониторинг и классификацию трафика
• Анализировать трафик в сети для понимания закономерностей работы важных приложений
• Внедрить подходящее разделение на уровни доступа
• Вести наблюдение и отчетность, чтобы активно управлять изменяющимися схемами распределения трафика

Наиболее эффективный способ управления трафиком, по мнению специалистов Viavi Solutions, - иерархический контроль качества связи (H-QoS), являющийся комбинацией сетевых политик, фильтрации и управления пропускной способностью трафика. H-QoS не будет снижать скорость работы, если все элементы сети обеспечат ультранизкую задержку и высокую производительность. Главное достоинство H-QoS - сокращение времени ожидания без необходимости увеличения пропускной способности канала.

Использование NID

Устройства сетевого интерфейса (NID) дают возможность проводить мониторинг и оптимизацию трафика при небольших затратах. Обычно такие устройства устанавливаются на территории абонента: сетевых вышках и прочих точках перехода между сетями операторов.

NID обеспечивают контроль за всеми компонентами сети. Если такое устройство поддерживает H-QoS, то провайдер может не только следить за работой сети, но и проводить индивидуальную настройку параметров для каждого подключенного пользователя.

Кэширование

Относительно небольшое увеличение пропускного канала само по себе не решит проблему низкой производительности сетевых приложений. Кэширование помогает ускорить доставку контента и оптимизировать нагрузку на сеть. Этот процесс можно рассматривать как технику ускорения хранилища ресурсов - сеть работает быстрее, будто после обновления.

Обычно в организациях кэширование используется на нескольких уровнях. Стоит отметить так называемое прокси-кэширование. Когда пользователь запрашивает какие-либо данные, его запрос может быть выполнен локальным прокси-кэшем. Чем выше вероятность исполнения такого запроса, тем сильнее освобождается сетевой канал.

Прокси-кэши являются своего рода общей кэш-памятью: работают с большим числом пользователей и очень хороши в сокращении времени ожидания и сетевого трафика. Одним из полезных вариантов применения прокси-кэширования является возможность удаленного подключения нескольких сотрудников к набору интерактивных веб-приложений.

Сжатие данных

Основная задача сжатия данных - сократить размер файлов, которые передаются по сети. В некоторой степени сжатие похоже на кэширование и может дать эффект ускорения, как при увеличении пропускной способности канала. Один из самых распространённых методов сжатия - алгоритм Лемпеля – Зива – Велча, который используется, например, в ZIP-архивировании и утилите сжатия UNIX.

Однако в некоторых ситуациях компрессия данных может привести к проблемам. Например, сжатие плохо масштабируется в плане использования ресурсов оперативной памяти и процессора. Также компрессия редко приносит пользу, если трафик зашифрован. При использовании большинства алгоритмов шифрования на выходе получаются мало повторяющиеся последовательности, поэтому такие данные не могут быть сжаты стандартными алгоритмами.

Для эффективной работы сетевых приложений необходимо решать проблемы с пропускной способностью и задержкой одновременно. Сжатие данных направлено на разрешение только первой проблемы, поэтому так важно применять её в связке с методиками управления трафиком.

Одностороннее сжатие данных

Существует альтернативный подход к сжатию данных - это системы оптимизации веб-контента, размещенные на одной стороне канала передачи данных. Такие системы используют технологии оптимизации веб-страниц, различные стандарты сжатия, методы оптимизации изображений, дельта-кодирование и кэширование. Они позволяют добиться сжатия информации в 2–8 раз в зависимости от содержимого.

У этих инструментов есть некоторые преимущества перед двусторонними решениями и прокси-кэшированием. Они значительно дешевле в установке и управлении, чем двусторонние. Кроме того, такие системы могут определять скорость соединения, тип браузера, оптимизировать не только статический, но и динамический контент для конкретного пользователя.

К недостатку одностороннего сжатия относится то, что с его помощью оптимизировать можно только работу отдельно взятых программ и сайтов.

Сегодня инженеры постоянно проводят исследования, стараясь повысить производительность и эффективность сетей. Группа IEEE 802.1Qau разрабатывает улучшенные методы управления, которые позволят устранить потерю пакетов при перегрузке портов, команда Internet Engineering Task Force создает протокол для канального уровня связи, способный обеспечить кратчайшее соединение с помощью Ethernet.

Также ведутся работы над улучшением выборки данных для передачи, чтобы распределять неиспользуемые части соединения для различных классов трафика.

Поддержание высокого качества соединения в сетях - важная задача для современных организаций. Это позволяет предоставлять клиентам лучшие сервисы и использовать ресурсы сети по максимуму.

Если вам интересна тема оптимизации процессов передачи, хранения и обработки данных, то можете обратить внимание на несколько других материалов из нашего блога.

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя або­нентами. В методе коммутации каналов после образования составного канала про­пускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна - это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с уста­новлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 2.31, а). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Тк.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи 1з.р. и задержки передачи сообщения 1з.п.. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распростра­нения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблет­ся от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V - объем сообщения в битах, а С - пропускная способность канала в битах в секунду.

Всети с коммутацией пакетов наблюдается принципиально другая картина.

Рис. 2.31. Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, зани­мает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

На рис. 2.31, показан пример передачи в сети с коммутацией пакетов. Предпо­лагается, что в сеть передается сообщение того же объема, что и сообщение, иллю­стрируемое рис. 2.31, а, однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено

на рисунке. При передаче этого сообщения, разбитого на пакеты, по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные временные задержки. Во-пер­вых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков tn.s., плюс к это­му добавляются задержки tmrr, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета t6.n. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации 1к. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксирова­но и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микро­секунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети пакетами.

Проведем грубую оценку задержки в передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составля­ет 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Про­пускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из време-

ни распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить при-мерно в 25 мс, и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности

2 Мбит/с и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс, то есть всего пе- редача данных заняла 825 мс.

Оценим дополнительное время, которое потребуется для передачи этого сообчещения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов. Вначале оценим задержку, которая возникав в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной;

заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10 %. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10 % от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, тогда дополнительна потери за счет интервалов составят 200 мс. Итого, в исходном узле из-за пакетир вания сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации, которая может име большой разброс, от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере примем, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщний через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка рта величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/с равна 4 Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами, составит примерно 240 мс. В зультате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, сое вила 520 мс. Учитывая, что вся передача данных в сети с коммутацией канала заняла 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной.

Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, но он дела более понятными те причины, которые приводятк тому, что процесс передачи

определенной пары абонентов в сети с коммутацией пакетов является более мед­ленным, чем в сети с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов - это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично, в мультипрограммной операционной системе время вы­полнения приложения предсказать заранее невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми делит процессор данное приложение.

На эффективность работы сети существенно влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутаци­ей пакетов к сети с коммутацией каналов, поэтому эффективность сети при этом падает. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной инфор­мации, так как каждый пакет несет с собой заголовок фиксированной длины, а количество пакетов, на которые разбиваются сообщения, будет резко расти при уменьшении размера пакета. Существует некоторая золотая середина, которая обес­печивает максимальную эффективность работы сети, однако ее трудно определить точно, так как она зависит от многих факторов, некоторые из них к тому же посто­янно меняются в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться длина пакета, а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксиро­ванную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что разрешает передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4-х килобайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен дан­ными, а небольшие пакеты обычно используются для квитанций о доставке пакета.

При выборе размера пакета необходимо учитывать также и интенсивность би­товых ошибок канала. На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов, так как это уменьшает объем повторно передаваемых данных при искаже­ниях пакетов.

2.4.3. Коммутация сообщений

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рис. 2.32). Сообщение в отличие от пакета имеет произволь­ную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содер­жанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммута­цией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзит­ном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточ­ным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача (store - and - forward ).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи графика, требую­щего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Рис. 2.32. Коммутация сообщений

Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежу­точных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь пере­дает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связа­ны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточ­ных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономи­чески невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь,

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше тех­ники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффек­тивной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает специализированные компьютеры в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

В сетях для соединения абонентов используются три метода коммутации: ком­мутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

Как коммутация каналов, так и коммутация пакетов может быть либо динамической, либо постоянной.

В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал коммутаторами сети по запросу одного из абонентов.

Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети несколы абонентскими каналами используются две технологии: частотного разделов канала (FDM) и разделения канала во времени (TDM). Частотное разделение характерно для аналоговой модуляции сигналов, а временное - для цифровог кодирования.

Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, например потоки данных, создаваемые разговаривающими по телефону собеседниками, но не могут перераспределять пропускную способности магистральных каналов между потоками абонентских каналов динамически.

Сети с коммутацией пакетов были специально разработаны для эффективной передачи пульсирующего компьютерного трафика. Буферизация пакетов раз­ных абонентов в коммутаторах позволяет сгладить неравномерности интенсив­ности трафика каждого абонента и равномерно загрузить каналы связи между коммутаторами.

Сети с коммутацией пакетов эффективно работают в том отношении, что объем передаваемых данных от всех абонентов сети в единицу времени больше, чем при использовании сети с коммутацией каналов. Однако для каждой пары або­нентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с ком­мутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

Сети с коммутацией пакетов могут работать в одном из двух режимов: дейта-граммном режиме или режиме виртуальных каналов.

Размер пакета существенно влияет на производительность сети. Обычно паке­ты в сетях имеют максимальный размер в 1-4 Кбайт.

Коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользо­вателей в режиме off-line, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. При этом методе коммутации сообщение передается через несколько транзит­ных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске.

Вопросы и упражнения

1. Могут ли цифровые линии связи передавать аналоговые данные?

2. Каким будет теоретический предел скорости передачи данных в битах в секун­ду по каналу с шириной полосы пропускания в 20 кГц, если мощность пере­датчика составляет 0,01 мВт, а мощность шума в канале равна 0,0001 мВт?

3. Определите пропускную способность канала связи для каждого из направле­ний дуплексного режима, если известно, что его полоса пропускания равна 600 кГц, а в методе кодирования используется 10 состояний сигнала.

4. Рассчитайте задержку распространения сигнала и задержку передачи данных для случая передачи пакета в 128 байт:

По кабелю витой пары длиной в 100 м при скорости передачи 100 Мбит/с;

Коаксиальному кабелю длиной в 2 км при скорости передачи в 10 Мбит/с;

Спутниковому геостационарному каналу протяженностью в 72 000 км при скорости передачи 128 Кбит/с.

Считайте скорость распространения сигнала равной скорости света в вакууме 300 000 км/с.

5. Какой кадр передаст на линию передатчик, если он работает с использованием техники бит-стаффинга с флагом 7Е, а на вход передатчика поступила после­довательность 24 А5 7Е 56 8С (все значения - шестнадцатеричные)?

6. Поясните, из каких соображений выбрана пропускная способность 64 Кбит/с эле­ментарного канала цифровых телефонных сетей?

7. Назовите методы компрессии, наиболее подходящие для текстовой информа­ции. Почему они неэффективны для сжатия двоичных данных?

8. Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достиг­нута компрессия данных по сравнению с использованием:

в традиционных кодов ASCII?

Кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов?

9. Как передатчик определяет факт потери положительной квитанции в методе скользящего окна?

10. Сеть с коммутацией пакетов испытывает перегрузку. Для устранения этой ситуа­ции размер окна в протоколах компьютеров сети нужно увеличить или умень­шить?

11. Как влияет надежность линий связи в сети на выбор размера окна?

12. В чем проявляется избыточность TDM-технологии?

13. Какой способ коммутации более эффективен: коммутация каналов или ком­мутация пакетов?

14. Объясните разницу между тремя понятиями:

Логические соединения, на которых основаны некоторые протоколы;

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов;

Составные каналы в сетях с коммутацией каналов.

Базовые технологии локальных сетей

Сравним задержки передачи данных в сетях с коммутацией пакетов с задержками в сетях с коммутацией каналов, основываясь на рис. 3.13. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составляет 200 000 байт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с. Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс, и времени передачи сообщения в канал, которое при пропускной способности 2 Мбит/с и размере сообщения 200 000 байт равно примерно 800 мс, то есть всего передача данных абоненту занимает 825 мс. Оценим дополнительное время, которое требуется для передачи этого сообщения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Также предположим, что сеть работает в недогруженном режиме и очереди в коммутаторах отсутствуют. Исходное сообщение разбивается на пакеты по 1000 байт, всего 200 пакетов.

Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, тогда время передачи сообщения увеличится на дополнительные 200 мс. Время передачи сообщения в канал также увеличится из-за необходимости передавать заголовки пакетов. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10 %. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10 % от времени передачи исходного сообщения, то есть 80 мс. При прохождении пакетов через каждый коммутатор возникает задержка буферизации пакета.

Эта задержка при величине пакета 1000 байт, заголовке 100 байт и пропускной способности линии 2 Мбит/с составляет 4,4 мс в одном коммутаторе. Плюс задержка коммутации 2 мс. В результате прохождения 10 коммутаторов пакет придет с суммарной задержкой 64 мс, потраченной на буферизацию и коммутацию. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составляет 344 мс.

Учитывая, что вся передача данных по сети с коммутацией каналов занимает 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной. Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, он делает более понятными те причины, по которым для отдельного абонента процесс передачи данных по сети с коммутацией пакетов является более медленным, чем по сети с коммутацией каналов.

Что же следует из приведенного примера? Можно ли считать, что сеть с коммутацией каналов более эффективна, чем сеть с коммутацией пакетов? Попробуем ответить на этот вопрос.

При рассмотрении сети в целом логично использовать в качестве критерия эффективности сети не скорость передачи трафика отдельного пользователя, а более интегральный критерий, например общий объем передаваемых сетью данных в единицу времени. В этом случае эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) оказывается выше. Такой результат был доказан в 60-е годы как экспериментально, так и аналитически с помощью теории массового обслуживания.