4.Проблеми зв'язку декількох комп'ютерів (топологія фізичних зв'язків, адресація вузлів у мережі, комутація).

Інформаційним потоком, або потоком даних називають неперервну послідовність даних, об’єднаних набором загальних ознак, які виділяються із загального мережевого трафіку.   

Наприклад, як потік можна визначити всі дані, що надходять від одного комп'ютера; об'єднуючою ознакою в даному випадку служить адреси джерела. Ці ж дані можна представити як сукупність декількох підпотоків, кожен з яких як диференціююча ознака має адресу призначення. Нарешті, кожен з цих підпотоків, в свою чергу, можна розділити на більш дрібні підпотоки, породжені різними мережевими додатками - електронною поштою, програмою копіювання файлів, веб-сервером. Дані, що утворюють потік, можуть бути представлені у вигляді різних інформаційних одиниць даних - пакетів, кадрів або осередків.

Очевидно, що при комутації в якості обов'язкової ознаки виступає адрес призначення даних. На підставі цієї ознаки весь потік, який входить в транзитний вузол даних розділяється на підпотоки, кожен з яких передається на інтерфейс, відповідний маршруту просування даних.

Адреса джерела та адресу призначення визначають потік для пари відповідних кінцевих вузлів. Однак часто буває корисно представити цей потік у вигляді декількох підпотоків, причому для кожного з них може бути прокладений свій особливий маршрут. Розглянемо приклад, коли на одній і тій же парі кінцевих вузлів виконується кілька взаємодіючих по мережі додатків, кожний з яких пред'являє до мережі свої особливі вимоги. В такому випадку вибір маршруту повинен здійснюватися з урахуванням характеру переданих даних, наприклад, для файлового сервера важливо, щоб передані їм великі обсяги даних прямували по каналах, які володіють великою пропускною здатністю, а для програмної системи управління, яка посилає в мережу короткі повідомлення, що вимагають обов'язкового і негайного відпрацювання, при виборі маршруту більш важлива надійність лінії зв'язку і мінімальний рівень затримок на маршруті. Крім того, навіть для даних, що пред'являють до мережі однакові вимоги, може прокладатися кілька маршрутів, щоб за рахунок розпаралелювання прискорити передачу даних.

Ознаки потоку можуть мати глобальне або локальне значення - у першому випадку вони однозначно визначають потік в межах всієї мережі, а в другому - в межах одного транзитного вузла. Пара адрес кінцевих вузлів для ідентифікації потоку - це приклад глобального ознаки. Прикладом ознаки, локально визначаючого потік в межах пристрою, може служити номер (ідентифікатор) інтерфейсу даного пристрою, на який надійшли дані. Наприклад, повертаючись до рис. 2.12, вузол 1 може бути налаштований передавати всі дані, що надійшли з інтерфейсу А, на інтерфейс В, а дані, що надійшли з інтерфейсу D, на інтерфейс С. Таке правило дозволяє відокремити потік даних вузла 2 від потоку даних вузла 7 і направляти їх для транзитної передачі через різні вузли мережі, в даному випадку потік вузла 2 - через вузол 5, а потік вузла 7 - через вузол 8.

Мітка потоку - це особливий тип ознаки. Вона являє собою деяке число, яке несе всі дані потоку. Глобальна мітка призначається даними потоку і не змінює свого значення впродовж всього його шляху прямування від вузла джерела до вузла призначення, таким чином вона унікально визначає потік в межах мережі. У деяких технологіях використовуються локальні мітки потоку, вони динамічно змінюють своє значення при передачі даних від одного вузла до іншого.

 

Таким чином, розпізнання потоків під час комутації відбувається на основі ознак, в якості яких, попри  обов’язкової адреси призначення даних, можуть виступати і інші ознаки, такі, як ідентифікатори додатків.

Задача маршрутизації, в свою чергу, включає в себе дві підзадачі:

□ визначення маршруту;

□ оповіщення мережі про обраний маршрут.

Визначити маршрут - це означає обрати послідовність транзитних вузлів та їх інтерфейсів, через які треба передавати дані, щоб доставити їх адресату. Визначення маршруту - складна задача, особливо коли конфігурація мережі така, що між парою взаємодіючих мережевих інтерфейсів існує безліч шляхів. Найчастіше вибір зупиняють на одномуоптимальному по деякому критерію маршруті. В якості критеріїв оптимальності можуть виступати, наприклад, номінальна пропускна здатність і завантаженість каналів зв'язку; затримки, внесені каналами; кількість проміжних транзитних вузлів; надійність каналів і транзитних вузлів. Але навіть у тому випадку, коли між кінцевими вузлами існує тільки один шлях, при складної топології мережі його знаходження може являти собою нетривіальну задачу.

Маршрут може визначатися емпірично («вручну») адміністратором мережі на підставі різних, часто не формалізованих міркувань. Серед спонукальних мотивів вибору шляху можуть бути: особливі вимоги до мережі з боку різних типів додатків, рішення передавати трафік через мережу певного постачальника послуг, припущення про пікові навантаження на деякі канали мережі, міркування безпеки.

Однак емпіричний підхід до визначення маршрутів мало придатний для великої мережі зі складною топологією. У цьому випадку використовуються автоматичні методи визначення маршрутів. Для цього кінцеві вузли та інші пристрої мережі оснащуються спеціальними програмними засобами, які організовують взаємний обмін службовими повідомленнями, що дозволяє кожному вузлу скласти свої «уявлення» про мережі. Потім на основі зібраних даних програмними методами визначаються раціональні маршрути.

При виборі маршруту часто обмежуються лише інформацією про топологію мережі. Цей підхід ілюструє рис. 3.13. Для передачі трафіку між кінцевими вузлами А і С існують два альтернативних маршрути: А-1-2-3-С і А-1-3-С. Якщо ми враховуємо тільки топологію, то вибір очевидний - маршрут А-1-3-С, який має менше транзитних вузлів. 

Рішення було знайдено шляхом мінімізації критерію, в якості якого в даному прикладі виступала довжина маршруту, виміряна кількістю транзитних вузлів. Однак, можливо, наш вибір був не найкращим.

Абстрактний спосіб вимірювання ступеня близькості між двома об'єктами називається метрикою. Так, для вимірювання довжини маршруту можуть бути використані різні метрики - кількість транзитних вузлів, як у попередньому прикладі, лінійна протяжність маршруту і навіть його вартість у грошовому вираженні. Для побудови метрики, що враховує пропускну здатність, часто використовують наступний прийом: довжину кожного каналу-ділянки характеризують величиною, зворотної його пропускної здатності. Щоб оперувати цілими числами, вибирають деяку константу, завідомо більшу, ніж пропускні здатності каналів в мережі. Наприклад, якщо ми в якості такої константи виберемо 100 Мбіт/с, то метрика кожного з каналів 1-2 і 2-3 дорівнює 1, а метрика каналу 1-3 дорівнює 10. Метрика маршруту дорівнює сумі метрик складових його каналів, тому частина шляху 1-2-3 має метрикою 2, а альтернативна частину шляху 1-3 - метрикою 10. Ми вибираємо більш «короткий» шлях, тобто шлях А-1-2-3-С.

Описані підходи до вибору маршрутів не враховують поточну ступінь завантаженості каналів трафіком. Використовуючи аналогію з автомобільним трафіком, можна сказати, що ми обирали маршрут по карті, враховуючи кількість проміжних міст і ширину дороги (аналог пропускної здатності каналу), віддаючи перевагу швидкісних магістралях. Але ми не стали слухати радіо або телевізійну програму, яка повідомляє про поточні затори на дорогах. Так що наше рішення могло виявитися зовсім не кращим, якщо по маршруту А-1-2-3-С вже передається велика кількість потоків, а маршрут А-1-3-С практично вільний.

Після того як маршрут визначений (вручну або автоматично), треба повідомити про нього всі пристрої мережі. Повідомлення про маршрут має нести кожному транзитному пристрою приблизно таку інформацію: «кожен раз, коли в пристрій надійдуть дані, пов'язані з потоку n, їх слід передати для подальшого просування на інтерфейс F».

Кожне подібне повідомлення про маршрут обробляється пристроєм, в результаті створюється новий запис у таблиці комутації. У цій таблиці локальною або глобальною ознакою (ознаками) потоку (наприклад, мітці, номеру вхідного інтерфейсу або адресою призначення) ставиться у відповідність номер інтерфейсу, на який пристрій повинен передавати дані, що стосуються цього потоку.

Отже, нехай маршрути визначені, записи про них зроблені в таблицях всіх транзитних вузлів, все готово до виконання основної операції - передачі даних між абонентами (комутації абонентів).

Для кожної пари абонентів ця операція може бути представлена​​декількома (по числу транзитних вузлів) локальними операціями комутації. Перш за все, відправник повинен виставити дані на той свій інтерфейс, з якого починається знайдений маршрут, а всі транзитні вузли повинні відповідним чином виконати «перекидання» даних з одного свого інтерфейсу на інший, іншими словами, виконати комутацію інтерфейсів. Пристрій, функціональним призначенням якого є комутація, називається комутатором

 

Проте перш ніж виконати комутацію, комутатор повинен розпізнати потік. Для цього надійшли дані аналізуються на предмет наявності в них ознак будь-якого з потоків, заданих в таблиці комутації. Якщо стався збіг, то ці дані прямують на інтерфейс, визначений для них в маршруті.

Комутатором може бути як спеціалізований пристрій, так і універсальний комп'ютер з вбудованим програмним механізмом комутації, в цьому випадку комутатор називається програмним. Комп'ютер може суміщати функції комутації даних з виконанням своїх звичайних функцій як кінцевого вузла. Однак у багатьох випадках більш раціональним є рішення, відповідно до якого деякі вузли в мережі виділяються спеціально для комутації. Ці вузли утворюютькомутаційну мережу, до якої підключаються всі інші. На рис. 3.15 показана комутаційна мережа, утворена з вузлів 1, 5, 6 і 8, до якої підключаються кінцеві вузли 2, 3, 4, 7, 9 і 10.

Мультиплексування і демультиплексування

Щоб визначити, на який інтерфейс слід передати дані, що надійшли,  комутатор повинен визначити, до якого потоку вони належать. Це завдання має вирішуватися незалежно від того, надходить на вхід комутатора тільки один «чистий» потік або «змішаний» потік, що є результатом агрегування декількох потоків. В останньому випадку до задачі розпізнавання потоків додається завдання демультиплексування, тобто поділу сумарного агрегованого потоку на декілька складових його потоків.

Як правило, операцію комутації супроводжує також зворотна операція - мультиплексування. При мультиплексуванні з декількох окремих потоків утворюється загальний агрегований потік, який можна передавати по одному фізичному каналу зв'язку.

Операції мультиплексування/демультиплексування мають таке ж важливе значення в будь-якій мережі, як і операції комутації, тому що без них довелося б для кожного потоку передбачати окремий канал, що призвело б до великої кількості паралельних зв'язків в мережі і звело б «нанівець» всі переваги неповнозв’язних мереж.

Мультиплексування є способом поділу наявного одного фізичного каналу між декількома одночасно протікаючими сеансами зв'язку між абонентами мережі.

 Одним з основних способів мультиплексування потоків є поділ часу. При цьому способі кожен потік час від часу (з фіксованим або випадковим періодом) отримує фізичний канал в повне своє розпорядження і передає по ньому свої дані. Поширене також частотне розділення каналу, коли кожен потік передає дані у виділеному йому частотному діапазоні.

Технологія мультиплексування повинна дозволяти одержувачу такого сумарного потоку виконувати зворотну операцію - поділ (демультиплексування) даних на складові потоки. На інтерфейсі Інт. 3 комутатор виконує демультиплексування потоку на три складових його підпотоків. Один з них він передає на інтерфейс Інт. 1, інший - на Інт. 2, а третій - на Інт. 5. А ось на інтерфейсі Інт. 2 немає необхідності виконувати мультиплексування або демультиплексування - цей інтерфейс виділений одному потоку в монопольне використання. Взагалі кажучи, на кожному інтерфейсі можуть одночасно виконуватися обидві функції - мультиплексування і демультиплексування. 

Окремий випадок комутатора, у якого всі вхідні інформаційні потоки комутуються на один вхідний інтерфейс, де вони мультеплексуються в один агрегований потік називається мультиплексором (рис. 3.17, а). Комутатор який має один вхідний інтерфейс, і декілька вихідних, називається демультиплексором .

 

5. Принцип комутації каналів (встановлення з'єднання, відмова у встановленні з'єднання, характеристика пропускної здатності, мультиплексування, переваги і недоліки принципу). Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента(який викликається), що проходить через комутатори і налагоджує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і зрештою досягає абонента (який викликається). Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу вже вичерпана. Для FDM-комутатора ємність вихідного каналу дорівнює кількості частотних смуг цього каналу, а для TDM-комутатора кількості тайм-слотів, на які поділяється цикл роботи каналу. Мережа відмовляє в з'єднанні також у тому випадку, якщо запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимсь іншим. У першому випадку говорять, що зайнято комутатор, другому — абонент. Можливість відмовлення в з'єднанні є недоліком методу комутації каналів.

Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або ж фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом всього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідним для таких додатків, як передача голосу, зображення чи керування об'єктами в реальному масштабі часу. Однак динамічно змінювати пропускну здатність каналу за вимогою абонента мережі з комутацією каналів не можливо, що робить їх неефективними в умовах  пульсуючого трафіка.

Недоліком мереж з комутацією каналів є неможливість, застосування апаратури користувачів, яка працює з різною швидкістю. Окремі  частини складового каналу працюють з однаковою швидкістю, тому що мережі з комутацією каналів не буферизують дані користувачів.

Мережі з комутацією каналів добре пристосовані для комутації потоків даних постійної швидкості, коли одиницею комутації є не окремий байт чи пакет даних, а довгостроковий синхронний потік даних між двома абонентами. Для таких потоків мережі з комутацією каналів додають мінімум службової інформації для маршрутизації даних через мережу, використовуючи тимчасову позицію кожного біта потоку в якості його адреси призначення в комутаторах мережі.

6. Принцип комутації пакетів (буфери і черги, методи просування пакетів, переваги і недоліки принципу). Комутація пакетів - принцип комутації, при якому інформація розділяється на окремі пакети, які передаються в мережі незалежно один від одного.В таких мережах, по одній фізичній лінії зв'язку, можуть обмінюватися даними багато вузлів.

Переваги - ефективність використання пропускної здатності та менші затрати.

Недоліки - зайнятість лінії зв'язку та зменшення її пропускної здатності

При комутації пакетів всі передані користувачем дані розбиваються передавальним вузлом на невеликі (до декількох кілобайт) частини – пакети (packet). Кожний пакет оснащується заголовком, у якому вказується, як мінімум, адреса вузла-одержувача й номер пакета. Передача пакетів по мережі відбувається незалежно один від одного. Комутатори такої мережі мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, що дозволяє згладжувати пульсації трафіка на лініях зв'язку між комутаторами. Пакети іноді називаютьдейтаграмами (англ. datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів – дейтаграмним режимом.

Мережа з комутацією пакетів сповільнює процес взаємодії кожної конкретної пари вузлів, оскільки їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, поки передадуться інші пакети. Однак загальна ефективність (обсяг переданих даних в одиницю часу) при комутації пакетів буде вище, ніж при комутації каналів. Це пов'язане з тим, що трафік кожного окремого абонента носить пульсуючий характер, а пульсації різних абонентів, відповідно до закону великих чисел, розподіляються в часі, збільшуючи рівномірність навантаження на мережу.