Принцип коммутации пакетов с использованием техники виртуальных каналов
Техника виртуальных каналов, состоит в следующем.
Прежде чем пакет будет передан через сеть, необходимо установить виртуальное соединение между абонентами сети - терминалами, маршрутизаторами или компьютерами. Существуют два типа виртуальных соединений:
коммутируемый виртуальный канал (Switched Virtual Circuit, SVC)
постоянный виртуальный канал (Permanent Virtual Circuit, PVC).
SVC : При создании коммутируемого виртуального канала коммутаторы сети настраиваются на передачу пакетов динамически, по запросу абонента, а создание постоянного виртуального канала происходит заранее, причем коммутаторы настраиваются вручную администратором сети, возможно, с привлечением централизованной системы управления сетью.
Смысл создания виртуального канала состоит в том, что маршрутизация пакетов между коммутаторами по таблицам маршрутизации происходит только один раз - при создании виртуального канала (имеется в виду создание коммутируемого виртуального канала, поскольку создание постоянного виртуального канала осуществляется вручную и не требует передачи пакетов по сети). После создания виртуального канала передача пакетов коммутаторами происходит на основании так называемых номеров или идентификаторов виртуальных каналов (Virtual Channel Identifier, VCI).
Каждому виртуальному каналу присваивается значение VCI на этапе создания виртуального канала, причем это значение имеет не глобальный характер, как адрес абонента, а локальный - каждый коммутатор самостоятельно нумерует новый виртуальный канал. Кроме нумерации виртуального канала, каждый коммутатор при создании этого канала автоматически настраивает таблицы коммутации портов - эти таблицы описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определенный номер VCI. Так что после прокладки виртуального канала коммутаторы больше не используют для передачи пакетов по этому соединению таблицу маршрутизации, а продвигают пакеты на основании номеров VCI. Сами таблицы коммутации портов включают обычно меньше записей, чем таблицы маршрутизации, так как хранят данные только о действующих на данный момент соединениях, проходящих через данный коммутатор.
Маршрутизация пакетов ускоряется за счет двух факторов:
решение о продвижении пакета принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации.
уменьшение доли служебной информации в пакетах. Адреса конечных узлов в глобальных сетях обычно имеют достаточно большую длину - 14-15 десятичных цифр, которые занимают до 8 байт (в технологии АТМ - 20 байт). Номер же виртуального канала обычно занимает 10-12 бит, так что накладные расходы на адресную часть существенно сокращаются, а значит, полезная скорость передачи данных возрастает.
В режиме PVC половину работы по маршрутизации пакетов администратор сети уже выполнил, поэтому коммутаторы быстро занимаются продвижением кадров на основе готовых таблиц коммутации портов. Постоянный виртуальный канал подобен выделенному каналу в том, что не требуется устанавливать соединение или разъединение. Обмен пакетами по PVC может происходить в любой момент времени. Отличие PVC от выделенной линии состоит в том, что пользователь не имеет никаких гарантий действительной пропускной способности PVC. Использование PVC обычно намного дешевле, чем аренда выделенной линии, так как пользователь делит пропускную способность сети с другими пользователями.
Режим продвижения пакетов на основе готовой таблицы коммутации портов обычно называют не маршрутизацией, а коммутацией и относят не к третьему, а ко второму (канальному) уровню стека протоколов.
Принцип маршрутизации пакетов на основе виртуальных каналов поясняется на рис. 1. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета - запрос на установление соединения (обычно называемый Call Request), который содержит обычный адрес узла назначения (в примере DA).
Рис. 1. Коммутация в сетях с виртуальными соединениями
Пусть конечный узел с адресом 1581120 начинает устанавливать виртуальное соединение с узлом с адресом 1581130. Одновременно с адресом назначения в пакете Call Request указывается и номер виртуального соединения VCI. Этот номер назначает компьютер-отправитель из свободных номеров ( в примере он = 4). Если через порт уже проложено 3 виртуальных соединения, то для нового соединения будет выбран номер 4, по которому всегда можно будет отличить пакеты данного соединения от пакетов других соединений, приходящих на этот порт.
Далее пакет типа Call Request с адресом назначения 1581130, номером VCI 4 и адресом источника 1581120 отправляется в порт 1 коммутатора К1 сети. Адрес назначения используется для поиска в таблице маршрутизации К1, аналогичной таблицам маршрутизации протокола IP, но с более простой структурой каждой записи: она состоит из адреса назначения и номера порта, на который нужно переслать пакет.
В примере оказалось необходимым передать пакет Call Request с порта 1 на порт 3. Через порт 3 уже проходит несколько виртуальных каналов, причем самый старший занятый номер - это номер 9. Поэтому коммутатор меняет номер прокладываемого виртуального канала с 4 на 10. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список занятых и свободных номеров виртуальных соединений для всех своих портов. Кроме таблицы маршрутизации для каждого порта составляется таблица коммутации. В таблице коммутации входного порта 1 маршрутизатор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с номером VCI= 4 должны передаваться на порт 3, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10. Одновременно делается и соответствующая запись в таблице коммутации порта 3 - пакеты, пришедшие по виртуальному каналу 10 в обратном направлении нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 4. Таким образом, при получении пакетов в обратном направлении компьютер-отправитель получает пакеты с тем же номером VCI=4, с которым он отправлял их в сеть.
После прокладки виртуального канала пакеты данных в качестве адреса содержат только номер виртуального канала, на основании которого и производится коммутация всех последующих пакетов. Виртуальный канал не изменяется в течение всего времени существования соединения. Его номер меняется от коммутатора к коммутатору, но для конечных узлов он остается постоянным.
За уменьшение служебного заголовка приходится платить невозможностью баланса трафика внутри виртуального соединения. При отказе какого-либо канала соединение приходится также устанавливать заново.
По существу, техника виртуальных каналов позволяет реализовать два режима продвижения пакетов - стандартная маршрутизация пакета на основании адреса назначения и режим коммутации пакетов на основании номера виртуального канала. Первый этап состоит в маршрутизации всего одного пакета - запроса на установление соединения, а второй этап - более быстрая передача всех пакетов с данными по проложенному каналу.
Техника виртуальных каналов имеет свои достоинства и недостатки по сравнению с техникой IP- или IPX-маршрутизации:
IP- маршрутизация каждого пакета эффективна для кратковременных потоков данных. Кроме того, возможно перенаправление пакетов по другому пути в сети. Быстрее отрабатывается отказ маршрутизатора или канала связи, так как последующие пакеты просто пойдут по новому пути.
По виртуальным каналам очень эффективно передаются долговременные потоки - тратится дополнительное время на прокладку виртуального канала, но зато большой поток данных передается с большей скоростью. Для кратковременных потоков этот режим не очень подходит, так как на установление соединения обычно уходит много времени - даже коммутаторы технологии АТМ, работающие на очень высоких скоростях, тратят на установление соединения по 5-10 мс каждый.
Вопросы для самостоятельной работы:
Опишите чем техника виртуальных каналов отличается от обычной маршрутизации. Как прокладывается виртуальный канал и передаются данные.
Для каких типов трафиков эта техника виртуальных каналов наиболее подходит - какие у нее достоинства и недостатки. Какие уровни протоколов и какую адресацию используют сети Х.25
Лекция 30.(+) Сети Х.25. и Frame Relay