Сети и телекоммуникации

261

определенные логически связанные группы функций при передаче данных

(правила взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями), называет-

ся протоколом. Для процессов каждого уровня используются протоколы П1,

П2, …..., П7.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфей-

сов:

параллелизм взаимодействующих процессов;

взаимная неопределенность состояния процессов, связанная с отсутстви-

ем у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса;

отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями,

выполняемыми при наступлении этих событий;

отсутствие полной гарантии доставки сообщений.

Особенности 2 и 3 протоколов связаны с тем, что взаимодействующие

процессы реализуются в разных системах — в различных, территориально раз-

несенных ЭВМ. По этой причине может немотивированно измениться состоя-

ние любого из процессов: пользователь может прекратить работу, прикладная программа — перейти в состояние ожидания или завершиться из-за особой си-

туации, возникшей при ее выполнении и др. К тому же при разработке прото-

колов учитывается тот факт, что сообщение может не достичь адресата, в ре-

зультате чего процесс, пославший сообщение, может не получить необходимой ему ответной реакции. Эти факторы существенно увеличивают сложность про-

токолов.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедур-

ную характеристики. Логическая характеристика протокола — структура

(формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика за-

дается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами ал-

горитмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

262

Таким образом, логика организации ИТС в наибольшей степени опреде-

ляется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки — реакцию на входящие сообщения и генерацию соб-

ственных сообщений. Количество уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру ИТС.

Теперь можно дать более полное определение архитектуры сети (систе-

мы): она представляет собой принятое в данной сети (системе) стандартное множество функций для организации взаимосвязи между элементами этой сети

(системы) и иерархическое распределение этих функций по уровням (группам),

а также включает описание протоколов взаимодействия одноименных уровней двух и более элементов этой сети (системы), интерфейсов взаимодействия со-

седних уровней и логических структур, обеспечивающих целенаправленную связь между пользователями сети (системы). При этом сами средства связи в соответствии с вышесказанным не являются частью архитектуры.

Распределение функций по системам

Основные системы ИТС — главные и терминальные ЭВМ и узлы связи.

Последние включают в себя КВМ, аппаратуру передачи (канала) данных (АКД)

и средств сопряжения ЭВМ с АКД — линейные адаптеры и мультиплексоры передачи данных (МПД). Кроме того, для объединения ИТС используются пе-

реходные системы — шлюзы, базирующиеся на использовании, как правило,

специализированной ЭВМ, называемой переходной ЭВМ. Распределение в сети функций, связанных с управлением процессами передачи и обработки данных на уровнях 1...7, представлено на рис. 17.6.

В главных ЭВМ (ГВМ) функции управления каналами (уровни 1 и 2) реа-

лизуются, как правило, техническими средствами — адаптерами со связными процессорами или программируемыми МПД. Функции уровней 3...6 реализу-

ются средствами сетевого программного обеспечения, расширяющими возмож-

ности операционной системы (ОС). Функции уровня 7 реализуются приклад-

264

ГВМ связаны с узлами связи (УС) с помощью одной или нескольких вы-

сокоскоростных линий связи. В качестве терминальных ЭВМ (ТВМ) использу-

ются мини- и микро-ЭВМ. При этом функции управления физическим каналом реализуются техническими средствами — линейными адаптерами или МПД, а

функции управления информационным каналом (уровень 2) возлагаются на программные средства ТВМ. На уровне 7 ТВМ выполняются программы, под-

держивающие работу терминалов. В узлах связи реализуются функции уровней

1...3. Функции управления физическими каналами (уровень 1) выполняются с помощью аппаратурных средств, функции управления информационным кана-

лом (уровень 2) — как правило, программно, и функции управления сетью

(уровень 3) — всегда программно.

Переходный узел организует систему портов, через которые осуществля-

ется связь ИТС. При этом с одной стороны пóртов управление сеансами, транс-

портировкой данных, сетью и каналами производится с использованием прото-

колов одной сети, а с другой стороны пóртов — с использованием протоколов другой сети. В случае, когда в сопрягаемых ИТС используются сообщения с неодинаковой структурой, с одной стороны портов ставится транслятор, преоб-

разующий сообщения одной структуры в сообщения другой структуры.

Глава 18 Методы коммутации и передачи данных в ИТС

Базовая СПД обеспечивает информационный обмен между абонентами путем установления соединений, проходящих через узлы и линии связи (рис.

17.1). Важнейшая характеристика СПД — время доставки данных, которое за-

висит от структуры СПД, производительности узлов связи и пропускной спо-

собности линий связи, а также от способа организации каналов связи между взаимодействующими абонентами и способа передачи данных по каналам.

Коммутация каналов, сообщений и пакетов

Информационный обмен между абонентами может осуществляться тремя различными способами: коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами. Процесс коммутации канала и пе-

редачи данных между абонентами СПД, изображенной на рис. 4.5, представлен временной диаграммой.

Абонент ai инициирует установление связи с абонентом aj. Узел связи А,

реагируя на адрес абонента aj, проключает соединение, в результате чего линия абонента ai коммутируется с линией, соединяющей узел А с узлом В. Затем процедура проключения соединения повторяется с узлами В, С и D, в результа-

те чего между абонентами ai и aj коммутируется канал. По окончании коммута-

ции узел D (или абонент aj) посылает сигнал обратной связи, после получения которого абонент ai начинает передавать данные. Продолжительность передачи данных зависит от длины передаваемого сообщения, пропускной способности канала (скорости передачи данных) и времени распространения сигнала по ка-

налу. Значение U1 определяет время доставки сообщения.

Коммутация сообщений производится путем передачи сообщения, со-

держащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. В

заголовке сообщения указывается адрес абонента aj — получателя сообщения.

266

Сообщение, генерируемое отправителем — абонентом ai, принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел A обрабатывает заголовок сообщения и опреде-

ляет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В. Узел В принимает сооб-

щение, размещая его в памяти, а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти на линию связи, ведущую к следующему узлу.

Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последователь-

но всеми узлами на маршруте от абонента ai до абонента aj. Значение U2 опре-

деляет время доставки данных при коммутации сообщений.

Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты

— элементы сообщения, снабженные заголовком и имеющие фиксированную максимальную длину, — и последующей передачи пакетов по маршруту, опре-

деляемому узлами сети. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последо-

вательность пакетов 1, 2, ..., длина которых ограничена предельным значением,

например 512 байт.

В ИТС коммутация пакетов — основной способ передачи данных. Это обусловлено отчасти тем, что коммутация пакетов приводит к малым задерж-

кам при передаче данных через СПД, а также следующими обстоятельствами.

Во-первых, способ ком-

позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной спосо-

бностью.

267

Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования (временного объединения) потоков данных. На рис.

18.1 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультип-

лексирования потоков данных. На первых трех осях изображены потоки дан-

ных (пакетов), генерируемых абонентами a1, a2, a3. Двойная нумерация пакетов на рисунке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал использу-

ется для обслуживания трех абонентов — посредством разделения во времени,

т.е. поочередного предоставления канала абонентам. Благодаря этому эффек-

тивно используются линии связи, соединяющие узлы связи и ЭВМ с СПД, и

одна линия связи обеспечивает работу многих взаимодействующих абонентов.

Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, харак-

терных для ИТС.

В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи нужно резервировать меньшую память, чем для приема потока сообщений.

В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика.

Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искаже-

ний 10-4... 10-6. Чем больше длина передаваемого сообщения, тем больше веро-

ятность того, что оно будет искажено помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных ARQ. Пакеты значитель-

но лучше согласуются с методом перезапросов, чем сообщения, и обеспечива-

ют наилучшее использование пропускной способности линии связи, работаю-

щей в условиях помех. Эти обстоятельства привели к использованию коммута-

ции пакетов в качестве основного способа организации каналов связи в ИТС.

268

Выбор длины пакетов производится исходя из размера сообщения с уче-

том влияния длины пакетов на время доставки данных, пропускную способ-

ность линий связи, емкость памяти и загрузку ЭВМ. Наиболее широко исполь-

зуются пакеты длиной 512 байт. При такой длине все управляющие сообщения и большинство сообщений, генерируемых в режиме диалоговой обработки, «вкладываются» в один пакет.

Дейтаграммы и виртуальные каналы

В СПД с коммутацией пакетов используются два способа передачи дан-

ных между абонентами: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммный способ — передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. При этом пакеты, поступая в СПД, передаются ею как независимые объекты, в результате чего каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокупность пакетов поступает к получателю в лю-

бом порядке, т.е. пакет, отправленный первым, может прибыть в пункт назна-

чения последним. При дейтаграммном способе не гарантируется ни очеред-

ность поступления пакетов получателю, ни надежность доставки пакетов. Пе-

редача дейтаграммным способом напоминает работу почты, когда информация пересылается как совокупность почтовых отправлений, например пачками пи-

сем.

Виртуальный канал — передача данных в виде последовательностей па-

кетов, связанных в цепочки. Основное свойство виртуального канала — сохра-

нение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного паке-

та в пункте назначения исключает возможность поступления всех последую-

щих пакетов. Организация виртуального канала между двумя процессами рав-

носильна выделению им дуплексного канала связи, по которому данные пере-

даются в их естественной последовательности. Виртуальный канал сохраняет все вышеописанные преимущества коммутации пакетов в отношении скорости передачи и мультиплексирования, но добавляет к ним еще одно — основное

269

свойство реального канала — сохранять естественную последовательность

данных.

Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предваритель-

ных процедур установки соединений. Виртуальный канал организуется с по-

мощью специальных процедур установления соединения, аналогичных по цели набору номера телефона в системе телефонной связи. При этом в системе теле-

фонной связи коммутируется соединение между абонентами, которое по окон-

чании разговора распадается на составные части, в дальнейшем используемое для установления других соединений. Таким же образом создается виртуаль-

ный канал, который после организации используется для передачи данных ме-

жду другими абонентами — процессами, обеспечивающими связь в других на-

правлениях. По окончании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресурсы возвращаются для установки новых виртуальных соединений.

Характеристики дейтаграммного способа передачи данных и способа, ос-

нованного на использовании виртуального канала, приведены в табл. 18.1. Ве-

роятность потери пакетов при доставке дейтаграмм равна примерно 10-4. По-

скольку передача данных через виртуальный канал требует слежения за номе-

рами пакетов в строгом порядке, сложность алгоритмов управления в узлах связи, реализуемых коммутационными ЭВМ, возрастает по сравнению с дейта-

граммным способом передачи пакетов. Но в то же время, функция сборки со-

общений из отдельных пакетов, передаваемых в форме дейтаграмм, возлагается на транспортный уровень управления главных и терминальных ЭВМ, в резуль-

270

тате чего сложность транспортировки при дейтаграммном способе возрастает по сравнению с транспортировкой данных в СПД по виртуальному каналу.

Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем при дейтаграммном способе. Однако большое число пользователей вычислитель-

ных сетей считают необходимым сохранить последовательность пакетов для упрощения прикладных программ. Поэтому виртуальные каналы рассматрива-

ются как эффективное средство при распределенной обработке данных, и спо-

соб передачи данных на основе виртуального канала реализуется в большинст-

ве ИТС.

Дейтаграммный способ позволяет эффективно реализовать информаци-

онный обмен между пользователями — электронную почтовую службу. Кроме того, при значительном числе процессов обработки данных обмен данными можно представлять в виде однопакетных сообщений, передача которых дейта-

граммным способом снижает расходы на передачу данных и оказывается эф-

фективной в ряде применений. Поэтому дейтаграммный способ передачи также используется в ИТС. Реализация дейтаграммного способа в дополнение к вир-

туальным каналам лишь незначительно увеличивает сложность ИТС. Поэтому во многих сетях передача данных организуется на основе и виртуального кана-

ла, и дейтаграмм.

Базовые средства передачи данных

К моменту создания первых ИТС наибольшее распространение получили следующие средства связи общего пользования:

телефонные сети, включающие в себя автоматические телефонные стан-

ции, абонентские и соединительные линии, узловые и междугородние те-

лефонные станции;

телеграфные сети, включающие в себя центры коммутации каналов и со-

общений, абонентские и соединительные линии и др.;