Адресация и маршрутизация пакетов

Для организации связи между процессами приема/передачи информации необходима общесетевая система адресации, устанавливающая порядок именования отправителей и получателей данных - абонентов базовой СПД (сети передачи данных), а также соединений в вычислительной сети. Организуя связь между абонентами, СПД должна по адресу получателя, указанному в заголовке пакета, определить путь передачи пакета – маршрут. Эта функция реализуется алгоритмами маршрутизации, под управлением которых работают узлы связи СПД. Кроме того, в СПД должен использоваться механизм управления сетью, обеспечивающий на низших уровнях согласование скорости передачи пакетов с пропускной способностью каналов связи и скоростью приема абонента, а на высшем уровне - согласование нагрузки с пропускной способностью СПД. Система адресации, алгоритм маршрутизации и управления СПД и вычислительной сетью в целом определяют организацию процессов передачи данных и являются частью протоколов информационного канала, сетевого и транспортного уровней.

                                                                                                               Таблицa 4

Фаза	Рабочая характеристика
	Скорость	Достоверность/надежность
Установление сетевого соединения.   Передача данных.   Разъединение сетевого соединения	Задержка установления сетевого соединения.   Пропускная способность; транзитная задержка.   Задержка разъединения сетевого соединения	Вероятность отказа при установлении сетевого соединения (неправильное соединение/отказ).   Коэффициент необнаруженных ошибок (искажение, дублирование/потеря). Вероятность отказа при передаче. Вероятность отказа при  разъединении сетевого соединения

 

Способы адресации

 

 Передача данных в вычислительных сетях обеспечивается соответствующими процедурами, основные параметры которых - имена объектов, между которыми производится обмен данными (программы, пользователи, наборы данных, терминалы и др.). Такими объектами в первую очередь являются процессы - прикладные и системные. В каждой из систем может быть использован собственный способ именования объектов. Действительно, для специализированной сети по управлению автоматизированными станками требуется более упрощенная система адресации по сравнению с адресацией в глобальной (IP) сети. Однако для любой вычислительной сети (локальной, корпоративной или глобальной) необходима единая схема присвоения имен объектам. Эти схемы базируются на следующих способах адресации: иерархическом кодировании, распределении адресов и отображении адресов.

Иерархическое кодирование - способ построения имен (адресов) объектам путем присоединения к локальным именам имен систем, которым принадлежит объект. Имя, порождаемое путем иерархического кодирования, имеет следующий вид: A. B … Q. R, где A - имя системы, B - имя подсистемы в системе A и R - имя объекта в подсистеме Q, входящей в ранее указанную подсистему. По такому способу строятся почтовые адреса, состоящие из названия страны, города, почтового отделения, улицы, дома и т.д., междугородние телефонные номера, в которых к номеру абонента местной телефонной сети добавляется телефонный номер города.

Распределение адресов состоит в присвоении постоянных адресов лишь отдельным процессам, которые выдают разрешение на доступ к системе, выделяя для доступа временные адреса. Например, в сети может использоваться четырехзначная адресация с помощью номеров от 0001 до 9999 включительно. Каждой системе выделяется необходимое подмножество адресов: системе А – адреса от 0001 до 0999, системе B – от 1000 до 1099, системе C – от 1100 до 1299 и т. д. Для доступа к этим системам выделяются постоянные адреса, например 0001 для системы А, 1000 для системы B, 1100 для системы C и т. д. Когда в системе А инициируется процесс X, ему присваивается общесетевой адрес, например 0750. Процесс из системы А обращается к процессу с локальным именем Y, реализуемому системой В, по адресу 1000. Система В с помощью процесса 1000 выделяет процессу Y неиспользуемый адрес, например 1021, и в дальнейшем взаимодействие процессов с локальными адресами X и Y протекает на основе общесетевых адресов 0750 и 1021 соответственно, с которыми оперирует базовая СПД. По окончании взаимодействия эти адреса становятся свободными и в дальнейшем присваиваются другим активным процессам.

Отображение адресов – присвоение каждому абоненту общесетевого адреса. Адреса преобразуются (отображаются) каждой системой в локальные имена. Например, если производится обращение по адресу 256207, то сеть соответствующей процедурой направляет обращение в соответствующую систему, а последняя преобразует адрес 256207 в локальное имя Y адресуемого абонента.

В настоящее время приняты подробные стандарты на способы адресации абонентов СПД. Имеющиеся протоколы, разработанные различными организациями, устанавливают, как правило, только длину полей пакета, в пределах которого размещаются адреса. Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии разработана рекомендация X.121 по международной системе адресации для сетей общего пользования, форматы которых приведены на рис. 19.

 

 

Международный префикс

Код идентификации сети данных

Национальный

Терминальный номер

 

Международный префикс

Цифровой код страны

Национальный

Номер

 

Рис. 19

В СПД с коммутацией пакетов абоненты обозначаются полным международным номером, национальным номером или номером в сети.

К примеру, адрес сети E - mail имеет вид (рис.20)

 

          iwanow @ cctpu. Edu. Ru

                                                          код страны  

                                                тип сети  

                                 код сети

                 номер объекта

Рис. 20

.

Адрес межсетевого протокола (адрес IP) для узла является логическим адресом - он не зависит от аппаратуры или конфигурации сети и имеет одну и ту же форму независимо от типа сети. Это четырехбайтное (32 бита) числовое значение, которое идентифицирует как сеть, так и локальный узел (компьютер или другое устройство) в данной сети. Четырехбайтовый адрес IP обычно представляется десятичными числами (каждый байт), разделяемыми точками, например, 129.47.6.17. Иногда адреса представляются шестнадцатеричными цифрами.

Адрес IP отображается в физический адрес с использованием протокола разрешения адресов (ARP) на широковещательных сетях, таких, как Ethernet, Token Ring, ARCnet. Когда узел должен послать пакет IP, он должен определить, какой физический адрес в сети соответствует адресу получателя IP, заданному в пакете IP. Для нахождения физического адреса узел посылает широковещательный пакет ARP, содержащий адрес IP получателя. После этого ожидается ответ от узла с данным адресом

IP- получателя. Узел с этим адресом посылает свой физический адрес назад запрашивающему узлу.

 

Маршрутизация пакетов

 Пакеты данных поступают в сеть передачи данных (СПД), имея в своем заголовке адрес порта назначения. Узел связи СПД, в который поступил пакет, должен по адресу порта назначения определить маршрут передачи пакета - выходную линию связи, в которую нужно передать пакет. При передаче данных по виртуальному каналу маршрутизация выполняется единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение. При передаче данных в форме дейтаграмм маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета.

Выбор маршрутов в узлах связи СПД производится по алгоритму маршрутизации - правилу назначения выходной линии связи на основе данных, содержащихся в заголовке пакета, и данных, представляющих состояние узла связи и, возможно, СПД в целом. Эффективность алгоритма маршрутизации характеризуется следующими показателями: 1) временем доставки пакетов; 2) нагрузкой, создаваемой на сеть потоками пакетов, поступающих в сеть и распределяемых по линиям и узлам связи;

3) затратами ресурсов в узлах связи, в первую очередь - затратами памяти и времени процессора коммутационной ЭВМ. Основной целью алгоритма маршрутизации является непрерывное продвижение пакетов от источников к адресатам. При этом алгоритм стремится выбрать наиболее подходящее направление передачи пакета - с минимальным временем доставки или наиболее полным использованием пропускной способности СПД.

Классификация алгоритмов маршрутизации производится в зависимости от направленности передачи пакетов и способов представления данных о топологии и нагрузке сети и представлена на рис. 20.

Простая маршрутизация - способ маршрутизации, не изменяющийся при изменении топологии и состояния СПД. Простая маршрутизация обеспечивается разными алгоритмами, типичными из которых являются алгоритмы случайной и лавинной маршрутизации.

Случайная маршрутизация - передача пакета из узла в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому пакет поступил в узел. Пакет, совершая "блуждания" по сети, с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата. Очевидно, что случайная маршрутизация неэффективна ни по времени доставки пакетов, ни по использованию пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация - передача пакета из узла во всех направлениях, кроме того, по которому поступил пакет. При этом, если узел связан с n другими узлами СПД, пакет передается в n-1 направлениях, т.е. размножается. Очевидно, что хотя бы одно направление обеспечит доставку пакета за минимальное время, т.е. лавинная маршрутизация гарантирует малое время доставки, однако это достигается за счет резкого ухудшения использования пропускной способности сети из-за загрузки ее большим числом пакетов.

Маршрутизация по предыдущему опыту - передача пакета в направлении, выбираемом на основе анализа потока, проходящего через узел. При этом пакеты, поступая в сеть, снабжаются адресами получателя и источника и счетчиком числа пройденных узлов.

 

МАРШРУТИЗАЦИЯ

 

ПРОСТАЯ

ФИКСИРОВАННАЯ

АДАПТИВНАЯ

 

СЛУЧАЙНАЯ

ЛАВИННАЯ

ПО ПРЕДЫДУЩЕМУ ОПЫТУ

ОДНОПУТЕВАЯ

МНОГОПУТЕВАЯ

ЛОКАЛЬНАЯ

РАСПРЕДЕЛЕН НАЯ

ЦЕНТРОЛИЗОВАННАЯ

ГИБРИДНАЯ

 

 

                                     Рис. 20

 

Пакет, который пришел в узел со значением счетчика 1, определяет соседний узел; пакет со значением счетчика 2 определяет узел, находящийся на расстоянии двух шагов, и т.д. Эти данные позволяют установить топологию сети и на ее основе построить таблицу для выбора маршрута. Этот способ маршрутизации позволяет узлам приспосабливаться к изменению топологии сети, однако процесс адаптации протекает медленно и неэффективно.

Фиксированная маршрутизация - способ выбора направления передачи по таблице маршрутизации, устанавливающей направление передачи для каждого узла назначения. Таблицы маршрутизации определяют кратчайшие пути от узлов к адресатам и вводятся в узлы связи, например, от управляющего центра сети. Для слабо загруженных сетей этот способ маршрутизации дает хорошие результаты, но его эффективность падает по мере увеличения нагрузки на сеть. При отказе линий связи необходимо менять таблицу маршрутизации. Для этого можно, например, размещать в каждом узле связи набор таблиц маршрутизации, подготовленный на случай отказа одной из линий связи. При возникновении отказа по узлам сети рассылается управляющий пакет, содержащий сведения об отказе, реагируя на который, узлы меняют таблицы маршрутизации путем выбора соответствующих таблиц из хранимого набора. Очевидно, что разработать способ фиксированной маршрутизации, обеспечивающий работоспособность сети при отказе многих линий, является чрезвычайно трудной задачей. К тому же фиксированная маршрутизация не позволяет адаптироваться к изменениям нагрузки, что, в общем, приводит к значительным задержкам пакетов в СПД. Фиксированная маршрутизация может строиться на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами. Такой способ называется однопутевой маршрутизацией. Его недостаток - неустойчивость к отказам и перегрузкам. Для повышения устойчивости в таблицах указывается несколько возможных путей передачи пакета и вводится правило выбора целесообразного пути. Такой способ называется многопутевой маршрутизацией.

Адаптивная маршрутизация - способ выбора направления передачи, указывающий изменение состояниЯ СПД. При адаптивной маршрутизации узлы СПД принимают решение о выборе маршрутов, реагируя на разного рода данные об изменении топологии и нагрузки. В идеальном случае каждый узел сети для принятия решения должен располагать полной информацией о текущем состоянии всех остальных узлов, о топологии сети и длине очередей к каждому направлению в каждом узле. Однако, как показали исследования, даже в этом идеальном случае задержки в СПД лишь немногим меньше, чем при фиксированной маршрутизации, таблица которой определяет кратчайшие пути в сети и не изменяется при колебаниях нагрузки. Дело в том, что оптимальные маршруты, формируемые на основе самой свежей информации о распределении нагрузки, становятся неоптимальными в последующие моменты времени, когда пакеты еще не достигли адресатов. Когда, например, сильно загруженные узлы получают информацию о том, что некоторая часть сети загружена слабо, они одновременно направляют пакеты в эту часть сети, создавая в сети, может быть, худшую ситуацию, чем предшествующая. Таким образом, алгоритмы адаптивной маршрутизации не обеспечивают оптимальности маршрутов. Однако выбор даже не оптимального, а близкого к нему маршрута приводит к значительному уменьшению времени доставки, особенно при пиковых нагрузках, а также к некоторому увеличению пропускной способности сети. Поэтому адаптивная маршрутизация получила широкое применение в вычислительных сетях и в первую очередь - в сетях с большим числом узлов связи (10 и более).

Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в отдельном узле СПД. Эта информация включает в себя: 1) таблицу маршрутизации, определяющую все направления передачи пакетов; 2) данные о текущем состоянии выходных каналов (работают или не работают); 3) длину очередей пакетов, ожидающих по выходным каналам. Информация о состояниях других узлов сети не используется. Таблицы маршрутизации указывают кратчайшие маршруты, проходящие через минимальное число узлов и обеспечивающие передачу пакета в узел назначения за минимальное время.

Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, получаемой от соседних узлов сети, может быть реализована следующим образом. Каждый узел сети формирует таблицы маршрутов ко всем узлам назначения, минимизирующие задержки в сети, причем для каждого маршрута указывается фактическое время передачи пакета в узел назначения. До начала работы сети это время оценивается исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы регулярно обмениваются с соседними узлами таблицами задержки. После обмена каждый узел пересчитывает задержки с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Полученные значения используются для выбора маршрутов: пакет ставится в очередь к маршруту, который характеризуется минимальным временем доставки. Обмен таблицами задержки производится периодически или когда обнаруживаются существенные изменения задержки из-за изменения очередей на передачу или состояния линий связи в результате отказа. Естественно, что периодический обмен таблицами задержки значительно увеличивает загрузку сети, а асинхронный - снижает. Однако в каждом случае загрузка остается весьма существенной и к тому же сведения об изменении состояния узлов медленно распространяются по сети. Так, при обмене с интервалом

 2/3 секунды время передачи данных составляет несколько секунд, и в этот период узлы направляют пакеты по старым путям, что может создать перегрузку в районе вышедших из строя компонентов сети.

Централизованная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, получаемой от центра маршрутизации. При этом каждый узел сети формирует сообщения о своем состоянии - длине очередей, работоспособности линий связи, и эти сообщения передаются в центр маршрутизации. Последний на основе полученных данных формирует таблицы маршрутизации, рассылаемые всем узлам сети. Неизбежные временные задержки при передаче данных в центр маршрутизации, формировании и рассылке таблиц приводят к потере эффективности централизованной маршрутизации, особенно в ситуациях, когда нагрузка сильно пульсирует. Поэтому централизованная маршрутизация по эффективности не превосходит локальную адаптивную, а, кроме того, отличается специфичным недостатком - потерей управления сетью при отказе центра маршрутизации.

Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц, периодически рассылаемых центром маршрутизации, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Если таблица маршрутизации, сформированная для узла связи центром, определяет единственное направление передачи пакета, то пакет передается именно в этом направлении. Если же таблица определяет направленя, то узел выбирает направление в зависимости от текущих значений длины очередей - по алгоритму локальной адаптивной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной и локальной: маршруты, формируемые центром, являются устаревшими, но соответствуют глобальному состоянию сети; локальные алгоритмы являются "близорукими", но обеспечивают своевременность решений.

 

4.3.4 Протокол Х.25  

 

 Рекомендация МККТТ Х.25 определяет связь между оконечным оборудованием данных (ООД) и аппаратурой канала данных (АКД) для оконечных устройств, работающих в пакетном режиме и подсоединенным к сетям передачи данных общего пользования посредством выделенных каналов.

Рекомендация Х.25 определяет два основных вида обслуживания коммутации пакетов, а именно постоянные виртуальные каналы и коммутируемые виртуальные соединения. Для обеспечения одновременной работы постоянных виртуальных каналов и виртуальных соединений используются логические каналы. Каждому виртуальному соединению присваивается групповой номер логического канала и номер логического канала. Максимальное допустимое число каналов определяется длиной номера канала и составляет 15 групп по 255 каналов в каждом.

Каждый пакет Х.25 состоит по меньшей мере из трех байтов. Общий формат пакета приведен на рис. 21.

 

Идентификатор общего формата	Групповой номер логического канала	Номер логического канала	Тип пакета	Дополнительная управляющая информация или данные
Байт 1		Байт 2	Байт 3

   

Рис. 21

 В табл. 5 приведен перечень идентификаторов общего формата.

Бит 8 идентификатора общего формата используется в пакетах данных как бит идентификатор, задающий два различных уровня передаваемых данных, которые в рекомендациях Х.25 не регламентируются.

Групповой номер логического канала (биты 4…1 в первом байте и номер логического канала - второй байт) содержится в каждом пакете, кроме пакетов повторного пуска, диагностики и регистрации, которые имеют нулевое значение.

В третьем байте каждого пакета содержится идентификатор типа пакета, кодирование которого производится в соответствии с табл.5. 

 

Таблица 5    

Тип пакета	Модуль последовательной нумерации	Байт 1   Биты  8  7 6 5
Установление соединения	8 128	0 0	X Х	0  1	1 0
Завершение соединения, управление потоком, повторная установка, повторный пуск, диагностика, регистрация	8 128	0 0	0 0	0 1	1 0
Данные	8 128	х х	х х	0 1	1 0
Идентификатор общего формата при расширении		0	0	1	1
Зарезервирован для других применений		*	*	0	0

 

 

Протокол Х.25 позволяет организовать взаимодействие между службами сети через совокупность виртуальных каналов, которые создаются в соответствии с процедурами, определенными протоколом Х.25. Эти процедуры реализуются с использованием пакетов, перечисленных в табл. 6.

Виртуальное соединение между абонентами сети организуется следующим образом см. рис. 22. Вызывающий абонент передает в сеть по свободному логическому каналу пакет «Запрос соединения», содержащий адрес вызываемого абонента. Вызываемый абонент может не принять запрос на соединение. В этом случае он передает пакет «Запрос разъединения», в котором в качестве причины разъединения может быть указано «Номер занят». После этого вызываемый абонент не может использовать логический для получения пакета «Подтверждение разъединения». Если сеть не может установить соединение с вызываемым абонентом, вызывающему абоненту посылается пакет «Указание разъединения», содержащий причину разъединения: нереализуемый вызов, номер занят, неразрешенный вызов, перегрузка сети и т.д. Если вызываемый абонент принимает запрос на соединение, он передает пакет «Согласие на соединение», после чего сеть посылает вызывающему абоненту пакет «Подтверждение на соединение». Этим оканчивается фаза установления соединения между абонентами. Начиная устанавливать соединение, вызывающий абонент запускает таймер. Если в течение тайм-аута не поступил пакет «Подтверждение соединения», абонент передает пакет «Запрос разъединения», после чего процедура установления соединения может повториться.

Рис. 22

 

 

После установления соединения начинается фаза передачи пакетов данных. Протокол Х.25 допускает использование значений длины поля данных: 16, 32, 64, 128, 256, 512 и 1024 байт.

Для ликвидации и сброса всех постоянных и временных виртуальных соединений, установленных с абонентом, используется процедура рестарта, инициируемая абонентом с помощью пакета «Запрос рестарта» и сетью с помощью пакета «Указание рестарта».

При этом ликвидируются соединения, относящиеся ко всем логическим каналам абонента, и стираются все пакеты, передаваемые через эти соединения. Для восстановления потерянных пакетов используются средства более высокого уровня иерархии.

Для передачи срочных данных используются ненумеруемые пакеты «Прерывание от сети» и «Прерывание от абонента», несущие в себе один байт данных о причине прерывания. Эти пакеты доставляются получателю независимо от состояния передачи нумерованных пакетов – даже тогда, когда пакеты данных не принимаются.

Получение этих пакетов подтверждается соответствующими пакетами-квитанциями. При использовании однонаправленных логических каналов абонент может запросить повторную передачу пакета с помощью пакета «Отказ», несущего в себе номер пакета N(R), начиная с которого нужно провести повторную передачу. По окончании передачи постоянные виртуальные каналы закрываются и происходит разъединение в порядке, определенном на рис. 22.