Комп'ютерні мережі

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 називають дейтаграмами (англ. datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів — дейтаграмним режимом.

Мережа з комутацією пакетів — вид телекомунікаційної мережі, у якій застосовується комутація пакетів. Яскравим (але не єдиним) прикладом такої мережі є Інтернет.

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. Даний метод комутації є найпоширенішим на сьогодні.

 

11.1. Основні принципи

При комутації пакетів всі передані користувачем цифрові дані розбиваються передає вузлом на невеликі (до декількох кілобайт) частини - пакети. Кожен пакет оснащується заголовком, в якому вказується, як мінімум, адреса вузла-одержувача і номер пакета. Передача пакетів по мережі відбувається або незалежно один від одного, тоді пакети називають дейтаграммами (datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів - дейтаграмним режимом, або по віртуальним з'єднанням, тобто в режимі, «орієнтованому на з'єднання» (Connection-oriented communication). Комутатори такої мережі мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, що дозволяє згладжувати пульсації трафіка на лініях зв'язку між комутаторами.

Переваги комутації пакетів

• Ефективність використання пропускної здатності.
• При перевантаженні мережі нікого не «викидає» з повідомленням «мережа зайнята», мережа просто знижує всім або декільком абонентам швидкість передачі.
• Абонент, що використовує свій канал не повністю, фактично віддає пропускну здатність мережі іншим.
• Менші витрати.

Недоліки комутації пакетів

• Складне пристрій; без мікропроцесорної техніки пакетну мережу налагодити практично неможливо.
• Пропускна здатність витрачається на передачу технічних даних (службової інформації).
• Затримки доставки, в тому числі змінні, через те, що при зайнятості вихідного каналу пакет може чекати своєї черги в комутаторі.

Мережа з комутацією пакетів відрізняється від мережі з комутацією каналів тим, що з певною ймовірністю може уповільнювати процес взаємодії кожної конкретної пари вузлів, оскільки їх пакети можуть очікувати в комутаторах, поки передадуться інші пакети. Це особливо критично для служб, що працюють в реальному масштабі часу (аудіо, відео). Однак загальна ефективність (обсяг переданих даних в одиницю часу) при комутації пакетів буде вище, ніж при комутації каналів. Це пов'язано 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.

 

11.2. Швидка комутація пакетів

Швидка комутація пакетів (FPS - Fast Packet Switching) - спрощена комутація пакетів по віртуальним з'єднанням при використанні цифрових трактів передачі з малим рівнем довічних помилок, на відміну від «шумливих» аналогових телефонних каналів з параметрами 1 хибний біт на 1000-100000 переданих біт. БКП лежить в основі ряду сучасних цифрових широкосмугових пакетних систем.

Спрощення полягають у наступному:

• для обміну пакетованими даними не в реальному масштабі часу, які потребують доставки відправленої інформації без помилок, функції виявлення та виправлення довічних помилок за рахунок повторної передачі (ARQ - Automatic Repeat reQuest) винесені за межі мережі на кінцеві точки прийому і передачі;
• для інтерактивних служб, наприклад, мови і відео, що мають деяку надмірність, пакети з помилками повторно не передаються ні на одному рівні ЕМВОС, а просто відкидаються. Можливо також відкидання пакетів без помилок, але з надмірною затримкою проходження через мережу зв'язку.

В результаті зазначених спрощень просування пакетів через мережу стало можливим реалізувати апаратним чином, за допомогою двійковій схемотехніки. Це дозволяє досягати високих швидкостей передачі і комутації на мережі з БКП. Встановлення самих віртуальних з'єднань виконується звичайним чином.

На принципах БКП побудовані наступні практичні системи:

Асинхронної передачі даних (ATM - Asynchronous Transfer Mode), з пакетами постійної довжини. У 1991 році для розробки і розвитку техніки ATM був створений Форум ATM;

Трансляції кадрів (FR - Frame Relay), з пакетами (кадрами) змінної довжини. Відповідний Форум трансляції кадрів організований також в 1991 році;

Фрагментирования на пакети з «мітками» в інтернет-мережах (MPLS - MultiProtocol Label Switching). Форум MPLS створений в 2000 році.

У 2009 році ці Форуми об'єднані в єдиний Широкосмуговий форум (Broadband Forum).

 

11.3. MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching — багатопротокольна комутація за мітками) — механізм передачі даних, який емулює різні властивості мереж з комутацією каналів через мережі з комутацією пакетів.

MPLS працює на рівні, який можна було б розташувати між другим (канальним) і третім (мережевим) рівнями моделі OSI, і тому його, зазвичай, називають протоколом другого з половиною рівня (2,5-рівень). Його було розроблено з метою забезпечення універсальної служби передавання даних як для клієнтів мереж з комутацією каналів, так і мереж із комутацією пакетів. За допомогою MPLS можна передавати трафік найрізноманітнішої природи, такий як IP-пакети, ATM, Frame Relay, SONET і кадри Ethernet.

У традиційній IP-мережі пакети передаються від одного маршрутизатора до іншого, й кожний маршрутизатор, зчитуючи заголовок пакета, (адреса призначення) приймає рішення про те, за яким маршрутом відправити пакет далі.

У протоколі MPLS ніякого подальшого аналізу заголовків у маршрутизаторах на шляху проходження не проводиться, а переадресація керується виключно на основі міток. Це має багато переваг над традиційною маршрутизацією на мережевому рівні.

MPLS мережа є масштабованою, тобто можна відносно легко змінювати її дизайн, та протокол-незалежною, тобто вона може використовуватися, як транспорт для різноманітних ІТ протоколів. У MPLS мережі пакетам даних присвоюються спеціальні мітки. Рішення, щодо маршрутизації пакетів даних приймаються виключно на основі значення мітки без заглиблення у зміст самого пакета. Наприклад, якщо MPLS мережа використовується для передачі IP пакетів то немає необхідності для маршрутизаторів зазирати в IP-пакет та аналізувати IP адресу отримувача. Основною перевагою для клієнтів MPLS мережі є відсутність необхідності підлаштовуватися під конкретні технології фізичного і канального рівнів OSI моделі мережі IT провайдера, таких як наприклад SDH, ATM, Frame Relay, Metro Ethernet[en], другою перевагою є можливість передавати по MPLS мережі різні типи трафіку. Частіше за все MPLS мережі використовуються для передачі IP трафіка, а саме IPv4, а з поступовим провадженням IPv6 і трафіка цього протоколу.

Маршрутизатори MPLS мережі називаються LSR (label switching routers) - маршрутизатори комутації по мітках, а маршрутизатори які використовуються на кордонах MPLS мережі Edge LSR - крайові LSR.

Коли IP трафік надходить до MPLS мережі крайові LSR перетворюють IP-пакети на MPLS-пакети вставляючи мітки. А коли пакети лишають MPLS мережу крайові LSR перетворюють MPLS-пакети назад на IP-пакети видаляючи мітки. В середині ж MPLS мережі LSR маршрутизують пакети по значенням міток.

На схемі MPLS Топологія маршрутизатори клієнтів CE передають IP-пакети на крайові LSR IT провайдера PE, де в середині його мережі передаються MPLS-пакети маршрутизаторами LSR - P.

 

11.4. Дейтаграмна передача даних

Датаграма (Datagram, дейтаграмма) - блок інформації, що передається протоколом через мережу зв'язку без попереднього встановлення з'єднання і створення віртуального каналу. Будь-протокол, що не встановлює попереднє з'єднання (а також зазвичай не контролює порядок приймально-передачі та дублювання пакетів), називається датаграммним протоколом. Такі, наприклад, протоколи Ethernet, IP, UDP та ін. Назва «датаграмма» було вибрано за аналогією зі словом телеграма. Кожна дейтаграма містить у своєму заголовку повна адреса місця призначення і тому є повністю незалежною від інших дейтаграм і в загальному випадку дейтаграми, навіть будучи частинами одного і того ж повідомлення, можуть бути доставлені отримувачу за різними маршрутами.

У сучасній практиці термін «IP-пакет» зазвичай використовується як синонім до терміну «IP-датаграмма». Разом з тим в ряді документів IETF між ними проводиться певна відмінність. Як відомо, модулі даних верхніх рівнів мережевий моделі послідовно инкапсулируются в модулі даних нижчих рівнів. При передачі на канальний рівень IP-датаграмма може не поміщатися в кадр канального рівня. У такому випадку для інкапсуляції потрібна попередня фрагментація дейтаграми для задоволення вимог конкретної технології рівня середовища передачі даних. Таким чином, виникає ще один термін - IP-фрагмент. Термін IP-пакет узагальнює поняття IP-датаграми і IP-фрагмента, з тим істотною умовою, що він позначає модуль даних, який передається канального рівня для інкапсуляції в кадр. Можна сказати, що на мережевому рівні IP-датаграмма є інкапсулюють модулем даних, а IP-пакет - інкапсуліруемим. В окремому випадку вони можуть збігатися, в загальному випадку - ні, так як IP-датаграмма може дробитися на фрагменти. Не всяка датаграмма, і навіть не всякий фрагмент без додаткової фрагментації може стати IP-пакетом.

Розведення понять IP-датаграми, IP-фрагмента і IP-пакета зручно для розуміння процесів, що відбуваються на мережному рівні. Разом з тим слід мати на увазі, що загальна структура повідомлення з його заголовками і тілом у всіх трьох випадках одна і та ж. Повні датаграми і фрагменти датаграмм розрізняються тільки певною інформацією в заголовках. Пакет просто ідентичний датаграму або фрагменту, якщо вони будуть розміщені в кадр. Таким чином, необхідно пам'ятати, що датаграми, фрагменти і пакети становлять собою різні одиниці мережевого рівня не в структурному, а в функціональному плані.