Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема № 08.
Маршрутизация информации.
Рассмотренный в предыдущей теме набор возможных сетевых топологий, позволяет создавать разветвлённые сети передачи информации, объединяющие большое количество абонентов. В этих сетях во всё большей степени нивелируется их первоначальное историческое разделение на телекоммуникационные (телефонные и телевизионные) сети и сети передачи данных. В результате усилия разработчиков современных сетевых технологий направлены на создание мультисервисных сетей, способных транслировать все существующие виды информационных сообщений. Сети связи могут быть как глобальными, соединяющими абонентов по территориальному признаку, так и ведомственными (корпоративными) наличие абонентов в которых определяется их отраслевой принадлежностью. Сети обоих видов могут, при необходимости, иметь возможность взаимодействия между собой.
Все сети передачи информации можно разделить на полносвязные и неполносвязные. В полносвязных сетях абонентские устройства, будь то телефонный аппарат, оконечное телевизионное устройство либо электронная вычислительная машина связаны между собой трактами связи по принципу «каждый с каждым». Достоинством таких сетей является высокая скорость и сравнительная гарантированность установления соединения. (Соединение не может состояться только в случае занятости вызываемого абонента в другом соединении.) Однако абонентская ёмкость таких сетей не может быть значительной. Кроме того, в них явно видна нерациональность использования дорогостоящих трактов связи. Поэтому полносвязные сети используются только для передачи особо важной информации и не являются распространёнными.
Подавляющее число сетей передачи информации являются неполносвязными. В них на пути информации между абонентами расположены устройства (узлы) коммутации (маршрутизации), задачей которых является направление информационных потоков от узла к узлу на всём протяжении тракта связи.
Рис. 8.1. Структурная схема неполносвязной сети.
В таких сетях процессу непосредственной передачи сообщений предшествует установление маршрута. Поскольку в разветвлённых сетях между двумя абонентскими установками может существовать несколько путей прохождения информации, то установление маршрута сводится к выбору наиболее оптимального пути. Критерии оптимальности выбора могут быть весьма различными. На них могут оказывать влияние соображения безопасности, экономические соображения, связанные, например, с тарифной политикой поставщиков коммуникационных услуг, технические характеристики возможных маршрутов и т.п.
Простейшим способом выбора маршрута на основании технических характеристик сети является метод анализа топологии сети. В этом случае предпочтение отдаётся маршруту, содержащему в своём составе наименьшее число коммутационных устройств. Однако выводы, сделанные на основе этого метода не всегда приводят к выбору оптимального с точки зрения скорости передачи информации, маршрута.
Рис.8.2. Методика выбора маршрута передачи информации.
Как видно из рис. 8.2., в рассматриваемом сегменте сети присутствуют три узла коммутации, связанные между собой каналами с различными скоростями передачи информации. По представленному выше методу, несомненно, оптимальным является маршрут УК1 – УК3. Однако на этом маршруте скорость передачи информации составляет всего 10(Мбит/с), в то время как скорости передачи на участках УК1 – УК2 и УК2 – УК3, составляющие соответственно 100(Мбит/с) и 40(Мбит/с), значительно выше. В этом случае маршрут УК1 – УК2 – УК3 возможно обеспечит более быструю доставку информации до потребителя.
Маршрут может определяться эмпирически администратором сети, либо устройствами автоматического определения маршрутов. Эмпирический метод отличается простотой и дешивизной, однако он практически неприменим на сетях со сложной топологией. Кроме того, он не позволяет оперативно реагировать на изменения состояния сети при современных (больших) объёмах передаваемой информации.
В случае привлечения к выбору маршрута автоматических вычислительных средств, находящихся в составе устройств связи, возникает необходимость в формализации понятия близости абонентских устройств друг к другу. Следует отметить, что в этом случае понятие близости не является обязательно геометрической величиной, а может выражаться различными признаками, присущими рассматриваемой сети. Численное выражение степени близости оконечных устройств по тому или иному параметру для разных маршрутов называется метрикой маршрута.
Для исчисления метрики находится отношение константы к интересующему параметру на каждом участке каждого возможного маршрута. В качестве константы используется величина рассматриваемого параметра, значительно бóльшая по значению, нежели реально присутствующие в сети значения этого параметра. Итоговая метрика маршрута является суммой метрик участков, входящих в данный маршрут:
Мм(х – у) = Σ Мх - у = Σ , (8.1.)
где П х – у – рассматриваемый параметр.
В случае, представленном на рис. 8.2., при вычислении метрики маршрута по критерию пропускной способности (скорости передачи), в качестве константы можно принять значение скорости передачи, равное 200 (Мбит/с): КV = 200 (Мбит/с). Тогда метрика маршрута УК1 – УК3 составляет:
Мм(1–3) = М1–3 = КV / V1-3 =200 / 10 =20,
а метрика маршрута УК1 – УК2 – УК3:
Мм(1–2-3) = М1–2+ М2-3 = КV / V1-2+ КV / V2-3 =200 / 100 + 200 / 40 =7.
Следовательно, с точки зрения скорости передачи, маршрут УК1 – УК2 – УК3 является более предпочтительным, нежели маршрут УК1 – УК3.
После определения маршрута данные о нём заносятся в память всех коммутационных устройств, участвующих в данном маршруте. Поскольку коммутационные устройства чаще всего участвуют в формировании многих маршрутов для разных информационных потоков, проходящих через них, то сведения обо всех этих маршрутах, заносятся в таблицу коммутации. Таблица коммутации представляет собой область электронной памяти управляющего процессора коммутационного устройства, которая содержит соответствия между признаком (маршрутным заголовком) информационного потока и соответствующим выходом, куда этот поток дóлжно отправить.
Соединение двух (или более) абонентских устройств между собой может осуществляться различными методами. Исторически первым был разработан метод коммутации каналов. При этом методе между абонентами организуется тракт связи, проходящий через коммутационные узлы, и сохраняющийся на всё время обмена информацией. Первой реализацией сетей передачи информации с коммутацией каналов явились сети телефонной связи. Коммутация каналов в таких сетях осуществляется ручным способом телефонистками ручных телефонных станций (РТС), либо специализированными автоматическими коммутационными устройствами, называемыми автоматическими телефонными станциями (АТС). Однако данный способ соединения может использоваться и в сетях, абонентскими устройствами которых являются ЭВМ. При этом эти сети могут быть как специализированными сетями передачи данных, так и накладываться на существующие телефонные сети. В последнем случае необходимо, чтобы параметры выдаваемого компьютером сигнала совпадали с параметрами, установленными для данной телефонной сети.
Процесс проведения сеанса связи в сети с коммутацией каналов можно проиллюстрировать временнóй диаграммой.
Рис 8.3. Временнáя диаграмма передачи информации при коммутации каналов.
Маршрутным заголовком в сетях такого типа является цифровой номер. Управляющие схемы коммутационных устройств, анализируя набранный абонентом номер, производят переключение исполнительных устройств, создавая, таким образом, непрерывный тракт связи между абонентскими устройствами.
Система нумерации представляет собой совокупность комбинаций десятичных цифр и порядок их набора для образования номера вызываемого абонента. Система нумерации может быть закрытая, открытая и смешанная. В сети с закрытой (единой) системой нумерации каждому абоненту присваивается жёстко закреплённый уникальный, единый для всей сети номер. При этом соединение с вызываемым абонентом осуществляется набором этого номера независимо от места расположения вызывающего абонента и маршрута установления соединения.
где А, В, С - сетевые номера узлов коммутации,
X, Y - произвольные цифры абонентского номера.
Рис. 8.4. Сеть связи с закрытой нумерацией.
При закрытой системе нумерации абонентский номер состоит из номера узла коммутации и внутриузлового абонентского номера. В сети, представленной на рис. 8.4., для связи с абонентом ВХХХ каждый раз необходимо набирать один и тот же номер В-Х-Х-Х, вне зависимости от того, осуществляет ли это соединение абонент АХХХ (СХХХ) или BXXY. В этом случае управляющие устройства УК сами определяют маршрут прохождения коммутируемого канала. Маршрут от абонента АХХХ к абоненту ВХХХ может проходить как по пути УКА – УКВ, так и по пути УКА – УКС – УКВ, каждый раз завися от общего состояния сети на момент установления соединения.
В сети с открытой нумерацей, набираемый вызывающим абонентом номер каждый раз зависит от взаимного расположения вызывающего и вызываемого абонентов и организуемого маршрута.
где К - код использования межузлового соединения,
А, В, С - сетевые номера узлов коммутации,
X, Y, Z - произвольные цифры абонентского номера,
Р - ограниченно-произвольные цифры абонентского номера (Р ≠ К).
Рис. 8.5. Сеть связи с открытой нумерацией.
Для установления межузлового соединения вызывающий абонент набирает код использования межузлового соединения и сетевой номер узла коммутации. После этого производится набор абонентского номера. Абонент сам осуществляет выбор маршрута, при необходимости последовательно набирая номера коммутационных узлов. В рамках одного коммутационного узла набирается только абонентский номер. Обязательным условием этого номера является то правило, что его первая цифра не должна совпадать с кодами использования межузловых соединений. В рассмотренном выше случае для связи с абонентом PZY абонент PZZ набирает абонентский номер P-Z-Y. Абонент PXY должен набирать номер K-C-P-Z-Y для установления соединения по пути КУA – КУС, либо номер K-B-K-C-P-Z-Y для установления соединения по пути КУA – КУВ – КУС.
Достоинствами сетей с закрытой нумерацией являются фиксированный номер абонента, что облегчает его запоминание пользователями и одинаковое количество цифр в каждом номере.
Достоинства сетей с открытой нумерацией проявляются в случае, если абоненты этой сети осуществляют в рамках «своего» узла коммутации. В этом случае значительно уменьшается количество передаваемых знаков номера, и, следовательно, время установления соединения и загрузка управляющих устройств коммутационных узлов.
Нарастание абонентской ёмкости сетей связи зачастую делает невозможным включение всех тяготеющих друг к другу абонентов в один коммутационный узел. В этом случае нашли своё применение сети со смешанной нумерацией.
где К - код использования межзонового соединения,
L, M, N - сетевые номера транзитных (межзоновых) узлов коммутации,
А, В, С - сетевые номера внутризоновых узлов коммутации ({А, В, С} ≠ К),
X, Y - произвольные цифры абонентского номера.
Рис. 8.6. Сеть связи со смешанной нумерацией.
Вся сеть разбивается на подсети (зоны) с закрытой системой нумерации внутри них. Для установления соединения вне своей зоны абонент набирает код использования межзонового соединения и номер зоны (транзитного узла её обслуживающего) в которой находится требуемый ему абонент. Выбор маршрута между транзитными узлами и узлами внутри зоны система осуществляет в автоматическом режиме. Например, для связи абонентов АХХ (ВХХ) и BXY зоны L достаточно набрать номер B-X-Y, а для соединения между абонентом АХХ (ВХХ) зоны L и абонентом BXY зоны N требуется набор номера К-N-В-Х-Y. При этом номера внутризоновых узлов не должны совпадать с кодом использования межзонового соединения.
Поведение сети при передаче через неё информационных потоков разного объёма называется трафиком (телетрафиком) сети. Процесс передачи информации характеризуется неравномерностью распределения объёмов и направлений передачи информации во времени. Данное распределение является случайным во времени процессом и описывается вероятностными математическими моделями. Граничным является случай, когда все абоненты какого либо коммутационного узла одновременно захотели бы установит соединение в каком либо одном направлении связи. Но такое событие, являясь теоретически возможным, имеет ничтожно малую вероятность. Исходя из этого, является нецелесообразным с экономической точки зрения построение таких систем связи, которые обеспечивали бы полное удовлетворение запросов абонентов в условиях такой граничной ситуации.
Построение сетей передачи информации с коммутацией каналов базируется на постулате, что такие сети при своевременном обслуживании подавляющего большинства поступающих в них вызовов изредка допускают возможность отказа абоненту в установлении соединения, либо устанавливают запрошенное соединение с некоторой временной задержкой. В случае, представленном на рис. 8.1., может возникнуть ситуация, при которой количество абонентов КУ1, пожелавших установить соединение с абонентами КУ2, превысит количество каналов системы передачи, организованной между данными коммутационными узлами. Таким образом, после занятия всех каналов СП частью абонентов, система вынуждена будет отказать остальным абонентам в услуге соединения с данным направлением до момента освобождения хотя бы одного канала.
Для количественного описания моделей поведения сетей датским учёным А.К. Эрлангом была разработана теория телетрафика, послужившая базой для создания в дальнейшем более общей теории массового обслуживания.
Основной задачей этой теории служит определение такого количества потерь вызовов, при котором пользователи сети не испытывают сколь ни будь значительных неудобств в пользовании сетью. Потоком вызовов называется последовательность вызовов, поступающих в некоторые моменты времени. Основной характеристикой потока является интенсивность вызовов (λ) – математическое ожидание числа вызовов, поступающих в единицу времени. Опытным путём определено, что при значительном числе абонентов, одновременно претендующих на пользование услугами связи, поток вызовов с достаточной степенью точности подчиняется закону Пуассона:
. (8.2.)
Данной формулой определяется вероятность поступления k вызовов в течение времени t.
Вызов, поступивший в коммутационное устройство, занимает его на некоторое время, называемое длительностью занятия устройства или длительностью обслуживания. Эта длительность может быть постоянной или случайной величиной. Например, длительности занятия управляющих устройств в КУ постоянны, поскольку для установления каждого соединения требуется одно и то же время. Исполнительные устройства КУ занимаются на случайное время, зависящее от продолжительности обмена информацией между двумя абонентами. Распределение длительностей занятий (вероятность того, что время занятия не превысит некое фиксированное время Т) описывается показательным законом:
Р(t<Т)=1- е–Т/τ, (8.3.)
где τ – средняя длительность одного занятия устройств.
С интенсивностью вызовов и длительностью занятия устройств неразрывно связано понятие информационной (телефонной) нагрузки. Нагрузкой называется суммарное время занятия, какого либо рассматриваемого устройства, в составе сети связи, на протяжении временного интервала Т:
(часо-занятие), (8.4.)
где С - количество вызовов, поступивших на устройство связи за время Т.
Нагрузка, приведённая к временному интервалу в один час называется интенсивностью нагрузки:
Y=Y(T)/ T=λ·τ (ч.-зан./ч.). (8.5.)
Единица интенсивности нагрузки, равная 1 ч.-зан./ч. получила наименование один Эрланг (Эрл).
Как было отмечено выше, интенсивность нагрузки, являясь случайной величиной подвержена значительным колебаниям в течение суток, по дням недели, по сезонным периодам года и т.п.. Однако число потерянных вызовов ни при каких условиях не должно превышать определённую величину. Поэтому все расчёты количества требующихся устройств связи производятся исходя из максимального значения интенсивности нагрузки. Часовой интервал, в течение которого интенсивность нагрузки является максимальной, получил название часа наибольшей нагрузки (ЧНН).
Эффективность использования устройств связи напрямую зависит от равномерности поступления потока вызовов, поскольку системы, построенные на учёте нагрузки в ЧНН, в остальное время подвержены значительному непроизводительному простою. Для смягчения негативных явлений от колебаний нагрузки рекомендуется включать в одно коммутационное устройство группы абонентов, ЧНН которых разнесены между собой по времени.
Ещё один метод выравнивания колебаний нагрузки заключается в гибкой тарифной политике, связанной со снижением стоимости пользования услугами связи в интервалы времени, изначально характеризуемые низкой интенсивностью нагрузки.
Для расчёта числа коммутационных устройств и числа каналов необходимы данные о проходящей по сети нагрузке. При модернизации существующих сетей эти данные получаются в результате измерений на действующих сетях. Для получения достоверных данных измерения необходимо производить в течение достаточно длительного периода времени. Расчёт производится по среднему значению ЧНН для тридцати наиболее загруженных дней в году.
Алгоритм реакции сети на поступление вызова в момент занятости всех обслуживающих устройств называется дисциплиной обслуживания вызовов. Если вызывающий абонент в сложившейся ситуации получает отказ системы на установление соединения (сигнал занятости) и вынужден прекратить вызов (дать отбой), такая дисциплина называется обслуживанием с потерями. Если устройство системы позволяет абоненту дождаться освобождения обслуживающего устройства без прекращения попытки вызова, дисциплина называется обслуживанием с ожиданием. Если конструктивные особенности системы изначально предполагают значительное превышение количества вызовов относительно суммарного числа обслуживающих устройств и мест ожидания, принято говорить о наличии в таких системах обслуживания с ограниченной очередью - частного случая обслуживания с ожиданием.
Сети связи с потерями вызовов являются наиболее распространёнными среди ныне существующих систем. Основным показателем качества обслуживания вызовов в таких системах является вероятность потери вызова, равная математическому ожиданию отношения числа потерянных вызовов (Спот) к общему числу поступивших (С):
рпот = М[Спот/С]. (8.6.)
Нетрудно также заметить, что вероятность потери вызова в такой системе равна вероятности занятия всех обслуживающих устройств (коммутационных устройств либо каналов связи). Для простейшего Пуассоновского потока вероятность потерь в зависимости от числа обслуживающих устройств и значения интенсивности нагрузки вычисляется по формуле Эрланга:
, (8.7.)
где N - количество обслуживающих устройств.
При расчёте систем связи требуемое количество обслуживающих устройств определяется непосредственно по формуле (8.7.), либо по исчисленным в технических справочниках таблицам или графикам. Нормы потерь для этих вычислений задаются исходя из нормативных рекомендаций. Например, для соединений между абонентами, включёнными в один узел коммутации, норма потерь не должна превышать 5%, а для соединительных линий между узлами коммутации 2‰.
После окончания процесса установления соединения между абонентами возникает постоянный на всё время соединения канал с фиксированной пропускной способностью. Продвижение информации по такому каналу гарантировано, а скорость доставки информации постоянна. При этом такие каналы предпочтительны для передачи голосовой и видеоинформации, поскольку время задержки распространения сигналов в таких системах невелико и постоянно.
Однако, в сетях, значительную долю абонентских устройств которых составляют ЭВМ, метод коммутации каналов является неэффективным. Это связано с тем, что пульсация трафика связана не только с изменениями интенсивности нагрузки по периодам времени, но и с пульсацией объёмов передаваемой информации после установления соединения. При передаче трафика такого рода более эффективными являются сети с коммутацией пакетов.
В таких сетях вся передаваемая пользователями цифровая информация разбивается на части, называемые пакетами или кадрами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес места назначения этого пакета. Пакеты поступают в сеть без предварительного занятия линий связи и с произвольной скоростью, определяемой работой генераторного оборудования абонентского устройства.
Продвижение пакетов по сети может осуществляться разными способами. Если каждый пакет перемещается по сети независимо от других пакетов этого сообщения, такой способ передачи называется дейтаграммным (датаграммным). В этом случае в состав заголовка, помимо адреса, включается и порядковый номер пакета в составе сообщения. В общем случае, пакеты одного сообщения могут перемещаться к получателю разными маршрутами, из числа возможных, перечисленных в таблицах коммутации. Поэтому время прохождения разных пакетов от источника до получателя может быть различным. Упорядочение пакетов в сетях с дейтаграммным продвижением возложено на последний перед получателем коммутационный узел, либо на абонентское устройство самого получателя. Отличительной особенностью дейтаграммного метода является отсутствие между источником и получателем информации каких либо «договорённостей» об обмене информацией. Получатель узнаёт о факте обмена только при поступлении к нему пакетов. В свою очередь, источник информации не имеет никаких сведений о доставке получателю отправленных пакетов.
Рис 8.7. Временнáя диаграмма передачи информации при дейтаграммном способе коммутации пакетов.
Достоинством дейтаграммного способа передачи пакетов является простота алгоритма обработки информации и минимально возможное время занятия коммутационных устройств.
Однако, при прохождении информации по сети связи возможны потери пакетов, вследствие переполнения буферных устройств коммутаторов, участвующих в маршруте. Возможно так же повреждение информации, содержащейся в пакете, из-за воздействия помех различного рода на тракт связи. Дейтаграммный метод передачи пакетов не даёт возможностей, исправления последствий данных явлений. Поэтому, более распространёнными на пакетных сетях являются способы передачи с установлением логических соединений. При таких способах передачи, путём обмена служебной информацией между источником и получателем, предварительно фиксируется факт установления логического соединения и параметры предстоящей передачи. Следует обратить внимание на тот факт, что при логическом соединении не происходит коммутации физических трактов связи между источником и потребителем информации, что является отличием от коммутации каналов. Во время установки логического соединения абоненты устанавливают между собой параметры предстоящего обмена информацией. Такими параметрами могут быть: максимальный объём передаваемого сообщения, максимальная длина передаваемых информационных пакетов, способы восстановления утерянных и повреждённых пакетов, маршрут передачи информации.
Рис 8.8. Временнáя диаграмма передачи информации при логическом соединении.
Если при настройке параметров предстоящего соединения не задаётся обязательный маршрут следования информационных пакетов по сети связи, такие логические соединения называют соединениями без фиксации маршрута. При этом пакеты (поодиночке или группами) могут следовать от источника до потребителя разными маршрутами. Если же в параметрах соединения указывается обязательный маршрут прохождения информационных пакетов, такие соединения получили название виртуальных каналов. Отличие виртуального канала от физически коммутируемого заключается в том, что ресурсы сети, включённые в маршрут прохождения виртуального канала, не являются монопольно принадлежащими абонентам этого канала, и могут распределяться для передачи нескольких информационных потоков.
При использовании алгоритмов логического соединения, в процессе передачи информации получатели подтверждают факт поступления к ним информационных пакетов. Для этого используются специальные служебные пакеты, называемые квитанциями получения. Порядок обмена информационными пакетами и квитанциями может быть различным. Источник сообщений, после передачи оговорённого при установлении соединения количества информационных пакетов (одного либо нескольких), может ожидать квитанцию получения. В квитанции получатель сообщает о поступлении к нему соответствующих пакетов в неповреждённом виде, либо перечисляет номера повреждённых пакетов для их повторной передачи. В зависимости от содержания квитанции, источник передаёт следующую группу пакетов, либо повторяет выбракованные получателем пакеты, продолжает передачу. Такой алгоритм получил название обмена с ожиданием.
Рис 8.9. Временнáя диаграмма обмена данных с ожиданием.
Передача следующей группы информационных пакетов происходит только после подтверждения о доставке получателю всех пакетов предыдущей группы в неповреждённом виде.
Если источник сообщений передаёт пакеты, не ожидая получения квитанций, такой алгоритм называется обменом с перезапросом. В этом случае повреждённые при передаче пакеты повторно передаются в общем информационном массиве.
Рис 8.10. Временнáя диаграмма обмена данных с перезапросом.
Алгоритм обмена с перезапросом позволяет значительно увеличить скорость передачи данных и пропускную способность сети. Недостатком этого метода является необходимость использования передающим абонентом значительно бóльших по объёму буферных устройств.
Возможные способы коммутации в сетях передачи информации представлены на рис. 8.11.
Рис 8.11. Классификация способов коммутации.