Количественное сравнение задержек

Вернемся от автомобилей к сетевому трафику. Пусть пользователю сети необходимо передать достаточно неравномерный трафик, состоящий из периодов активности и пауз. Представим также, что он может выбрать, через какую сеть, с коммутацией каналов или пакетов, передавать свой трафик, причем в обеих сетях производительность каналов связи одинаковы. Очевидно, что более эффективной с точки зрения временных затрат для на­шего пользователя была бы работа в сети с коммутацией каналов, где ему в единоличное владение предоставляется зарезервированный канал связи. При этом способе все данные поступали бы адресату без задержки. Тот факт, что значительную часть времени зарезерви­рованный канал будет простаивать (во время пауз), нашего пользователя не волнует — ему важно быстро решить собственную задачу.

Если бы пользователь обратился к услугам сети с коммутацией пакетов, то процесс пере­дачи данных оказался бы более медленным, так как его пакеты, вероятно, не раз задер­живались бы в очередях, ожидая освобождения необходимых сетевых ресурсов наравне с пакетами других абонентов.

Давайте рассмотрим более детально механизм возникновения задержек при передаче дан­ных в сетях обоих типов. Пусть от конечного узла N 1 отправляется сообщение к конечному узлу N 2 (рис. 3.12). На пути передачи данных расположены два коммутатора.

Рис. 3.12. Временная диаграмма передачи сообщения в сети с коммутацией каналов

 

В сети с коммутацией каналов данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на стандартной для канала скорости. Время доставки данных Т адресату равно сумме времени распространения сигнала в канале t_prg и времени передачи сообщения в канал (называемое также временем сериализации) t_{trns .}

Наличие коммутаторов в сети с коммутацией каналов никак не влияет на суммарное время прохождения данных через сеть.

ПРИМЕЧАНИЕ

Заметим, что время передачи сообщения в канал в точности совпадает со временем приема сообщения из канала в буфер узла назначения, то есть временем буферизации.

Время распространения сигнала зависит от расстояния между абонентами L и скорости S распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая коле­блется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме:

t_prg = L/S.

Время передачи сообщения в канал (а значит, и время буферизации в узле назначения) равно отношению объема сообщения V в битах к пропускной способности канала С в битах в секунду:

t_trna= V/С.

В сети с коммутацией пакетов передача данных не требует обязательного установления соединения. Предположим, что в сеть, показанную на рис. 3.13, передается сообщение того же объема V, что и в предыдущем случае (см. рис. 3.12), однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Пакеты передаются от узла N 1 узлу N 2, между которыми расположены два коммутатора. На каждом коммутаторе каждый пакет изображен дважды: в момент прихода на входной интерфейс и в момент передачи в сеть с выходного интерфейса. Из рисунка видно, что коммутатор задерживает пакет на неко­торое время. Здесь Т ₁ — время доставки адресату первого пакета сообщения, а T _ps — всего сообщения.

Рис. 3.13. Временная диаграмма передачи сообщения, разделенного на пакеты, в сети с коммутацией пакетов

 

Сравнивая временные диаграммы передачи данных в сетях с коммутацией каналов и па­кетов, отметим два факта:

§ значения времени распространения сигнала (t_prg) в одинаковой физической среде на одно и то же расстояние одинаковы;

§ учитывая, что значения пропускной способности каналов в обеих сетях одинаковы, значения времени передачи сообщения в канал (t_trns) будут также равны.

Однако разбиение передаваемого сообщения на пакеты с последующей их передачей по сети с коммутацией пакетов приводит к дополнительным задержкам. Проследим путь первого пакета и отметим, из каких составляющих складывается время его передачи в узел назначения и какие из них специфичны для сети с коммутацией пакетов (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Временная диаграмма передачи одного пакета в сети с коммутацией пакетов

 

Время передачи одного пакета от узла N 1 до коммутатора 1 можно представить в виде суммы нескольких слагаемых.

§ Во-первых, время тратится в узле-отправителе N 1:

o t ₁ — время формирования пакета, также называемое временем пакетизации (зависит от различных параметров работы программного и аппаратного обеспечения узла- отправителя и не зависит от параметров сети);

o t ₂ — время передачи в канал заголовка;

o t ₃ — время передачи в канал поля данных пакета.

§ Во-вторых, дополнительное время тратится на распространение сигналов по каналам связи. Обозначим через t ₄ время распространения сигнала, представляющего один бит информации, от узла N 1 до коммутатора 1.

§ В-третьих, дополнительное время тратится в промежуточном коммутаторе:

o t ₅ — время приема пакета с его заголовком из канала во входной буфер коммутатора; как уже было отмечено, это время равно (t ₂+ t ₃), то есть времени передачи пакета с заголовком в канал из узла источника;

o t ₆ ^— время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и за­ранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети;

o t ₇ — время коммутации пакета при его передаче в выходной порт фиксировано для конкретной модели и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд).

o Обозначим через T _N1-S1 время передачи пакета из узла N 1 на выходной интерфейс коммутатора 1 Это время складывается из следующих составляющих:

TN1-S1 = t1 + t4 + t5 + t6 + t7

Обратите внимание, что среди слагаемых отсутствуют составляющие t ₂ и t ₃. Из рис. 3.14 видно, что передача битов из передатчика в канал совмещается по времени с передачи битов по каналу связи.

Время, затрачиваемое на оставшиеся два отрезка пути, обозначим соответственно T _S1 и T_{S 2- N 2} Эти величины имеют такую же структуру, что и T_{N 1- S 1} за исключением того, что в них не входит время пакетизации, и, кроме того, T_{S 2- N 2} не включает время коммутации (так как отрезок заканчивается конечным узлом). Итак, полное время передачи одного пакета по сети составляет:

Т₁ = T_N1-S1 + T_S1-S2 + T_S2-N2

А чему же будет равно время передачи сообщения, состоящего из нескольких пакетов? Сумме времен передачи каждого пакета? Конечно, нет! Ведь сеть с коммутацией пакетов работает как конвейер (см. рис. 3.13): пакет обрабатывается в несколько этапов, и все устройства сети выполняют эти этапы параллельно. Поэтому время передачи такого сообщения будет значительно меньше, чем сумма значений времени передачи каждого пакета сообщения. Точно рассчитать это время сложно из-за неопределенности состояния сети, и вследствие этого, неопределенности значений времени ожидания пакетов в очередях коммутаторов. Однако если предположить, что пакеты стоят в очереди примерно одинаковое время, то общее время передачи сообщения, состоящего из п пакетов, можно оценить следующим образом:

T_PS = T₁+(n - 1)(t₁ + t₅)

ПРИМЕР

Сравним задержки передачи данных в сетях с коммутацией пакетов с задержками в сети с коммутацией каналов, основываясь на рис. 3.14. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составляет 200 000 байт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с. Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс, и времени пере­дачи сообщения в канал, которое при пропускной способности 2 Мбит/с и размере сообще­ния 200 000 байт равно примерно 800 мс, то есть всего передача данных абоненту занимает 825 мс. Оценим дополнительное время, которое требуется для передачи этого сообщения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Также предположим, что сеть работает в недогруженном режиме, то есть очереди в коммутаторах отсутствуют. Исходное сообщение разбивается на пакеты по 1000 байт, всего 200 пакетов.

Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, тогда время передачи сообще­ния увеличится дополнительно на 200 мс. Время передачи сообщения в канал также увели­чится из-за необходимости передавать заголовки пакетов. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10 %. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголов­ков пакетов, составляет 10 % от времени передачи исходного сообщения, то есть 80 мс. При прохождении пакетов через каждый коммутатор возникает задержка буферизации пакета.

Эта задержка при величине пакета 1000 байт, заголовке 100 байт и пропускной способности линии 2 Мбит/с составляет 4,4 мс в одном коммутаторе. Плюс задержка коммутации 2 мс.

В результате прохождения 10 коммутаторов пакет придет с суммарной задержкой 64 мс, по­траченной на буферизацию и коммутацию. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составляет 344 мс.

Учитывая, что вся передача данных по сети с коммутацией каналов занимает 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной. Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, он делает более понятными те причины, по которым для отдельного абонента процесс передачи данных по сети с коммутацией пакетов является более медленным, чем по сети с коммутацией каналов.

Что же следует из приведенного примера? Можно ли считать, что сеть с коммутацией каналов более эффективна, чем сеть с коммутацией пакетов? Попробуем ответить на этот вопрос.

При рассмотрении сети в целом логично использовать в качестве критерия эффектив­ности сети не скорость передачи трафика отдельного пользователя, а более интегральный критерий, например общий объем передаваемых сетью данных в единицу времени. В этом случае эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) оказывается выше. Такой результат был доказан в 60-е годы как экспериментально, так и аналитически с помощью теории массового обслуживания.

ПРИМЕР

Используем для сравнения эффективности сетей с коммутацией каналов и пакетов еще один пример (рис. 3.15). Два коммутатора объединены каналом связи с пропускной способностью 100 Мбит/с. Пользователи сети подключаются к сети с помощью каналов доступа (access link) с пропускной способностью 10 Мбит/с. Предположим, что все пользователи создают одинаковый пульсирующий трафик со средней скоростью 1 Мбит/с. При этом в течение непродолжительных периодов времени скорость данной предложенной нагрузки возрастает до максимальной скорости канала доступа, то есть до 10 Мбит/с. Такие периоды длятся не более одной секунды. Предположим также, что все пользователи, подключенные к коммутатору S1, передают информацию только пользователям, подключенным к коммутатору S2.

Пусть представленная на рисунке сеть является сетью с коммутацией каналов. Поскольку пики пользовательского трафика достигают 10 Мбит/с, каждому из пользователей необходимо установить соединение с пропускной способностью 10 Мбит/с. Таким образом, одновременно через сеть смогут передавать данные только 10 пользователей. Суммарная средняя скорость передачи данных через сеть будет равна только 10 Мбит/с (10 пользователей передают данные со средней скоростью 1 Мбит/с). Следовательно, линия связи между коммутаторами, хотя и имеет общую пропускную способность 100 Мбит/с, используется только на 10 %.

Рис. 3.15. Сравнение эффективности сетей с коммутацией пакетов и каналов

 

Теперь рассмотрим вариант, когда та же сеть работает на основе техники коммутации пакетов. При средней скорости пользовательских потоков 1 Мбит/с сеть может передавать одно­временно до 100/1 - 100 (!) информационных потоков пользователей, полностью расходуя пропускную способность канала между коммутаторами. Однако это справедливо, если емко­сти буферов коммутаторов достаточно для хранения пакетов на периодах перегрузки, когда суммарная скорость потока данных превышает 100 Мбит/с. Оценим необходимый объем буфера коммутатора S1. За период перегрузки в коммутатор S1 от каждого потока поступит 10 Мбит/с х 1 с - 10 Мбит, а от 100 потоков — 1000 Мбит. Из этих данных за одну секунду коммутатор успеет передать в выходной канал только 100 Мбит. Значит, чтобы ни один пакет не был потерян во время перегрузки сети, общий объем входных буферов коммутатора должен быть не меньше 1000 - 100 = 900 Мбит, или более 100 Мбайт. Сегодняшние коммутаторы обычно имеют меньшие объемы буферов (1-10 Мбайт). Однако не нужно забывать, что веро­ятность совпадения периодов пиковой нагрузки у всех потоков, поступающих на входы ком­мутатора, очень мала. Так что даже если коммутатор имеет меньший объем буферной памяти, в подавляющем большинстве случаев он будет справляться с предложенной нагрузкой.

При сравнении сетей с коммутацией каналов и пакетов уместна аналогия с мультипро­граммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых в единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопро­граммной. Аналогично однопрограммной системе, в которой время от времени простаивает процессор или периферийные устройства, в сетях с коммутацией каналов при передаче пульсирующего трафика значительная часть зарезервированной пропускной способности каналов часто не используется.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов — это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Ана­логично, в мультипрограммной операционной системе время выполнения приложения предсказать заранее невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми делит процессор данное приложение.

В заключение этого раздела приведем табл. 3.1, в которой сведены свойства обоих видов сетей. На основании этих данных можно аргументировано утверждать, в каких случаях рациональнее использовать сети с коммутацией каналов, а в каких — с коммутацией па­кетов.

Таблица 3.1. Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов

Коммутация каналов	Коммутация пакетов
Необходимо предварительно устанавливать соединение	Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ)
Адрес требуется только на этапе установления соединения	Адрес и другая служебная информация передаются с каждым пакетом
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения	Сеть всегда готова принять данные от абонента
Гарантированная пропускная способность (полоса пропускания) для взаимодействующих абонентов	Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
Трафик реального времени передается без задержек	Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
Высокая надежность передачи	Возможные потери данных из-за переполнения буферов
Нерациональное использование пропускной способности каналов, снижающее общую эффек­тивность сети	Автоматическое динамическое распределение пропускной способности физического канала между абонентами

 

Ethernet — пример стандартной технологии с коммутацией пакетов

Рассмотрим, каким образом описанные ранее концепции воплощены в одной из первых стандартных сетевых технологий — технологии Ethernet, работающей с битовой скоростью 10 Мбит/с. В этом разделе мы коснемся только самых общих принципов функционирова­ния Ethernet. Детальное описание технологии Ethernet вы найдете в части III.

§ Топология. Существует два варианта технологии Ethernet: Ethernet на разделяемой среде и коммутируемый вариант Ethernet. В первом случае все узлы сети разделяют общую среду передачи данных, и сеть строится по топологии общей шины. На рис. 3.16 показан простейший вариант топологии — все компьютеры сети подключены к общей разделяемой среде, состоящей из одного сегмента коаксиального кабеля.

 

 

Рис. 3.16. Сеть Ethernet на разделяемой среде

 

В том случае, когда сеть Ethernet не использует разделяемую среду, а строится на ком­мутаторах, объединенных дуплексными каналами связи, говорят о коммутируемом варианте Ethernet. Топология в этом случае является топологией дерева, то есть такой, при которой между двумя любыми узлами сеть существует ровно один путь. Пример топологии коммутируемой сети Ethernet показан на рис. 3.17

 

 

Рис. 3.17. Древовидная топология коммутируемой сети Ethernet

 

Топологические ограничения (только древовидная структура связей коммутаторов) связаны со способом построения таблиц продвижения коммутаторами Ethernet.

§ Способ коммутации. В технологии Ethernet используется дейтаграммная коммута­ция пакетов. Единицы данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet, называются кадрами. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию. В том случае, когда сеть Ethernet по­строена на коммутаторах, каждый коммутатор продвигает кадры в соответствии с теми принципами коммутации пакетов, которые были описаны ранее. А вот в случае одно­сегментной сети Ethernet возникает законный вопрос: где же выполняется коммутация? Где хотя бы один коммутатор, который, как мы сказали, является главным элементом любой сети с коммутацией пакетов? Или же Ethernet поддерживает особый вид ком­мутации? Оказывается, коммутатор в односегментной сети Ethernet существует, но его не так просто разглядеть, потому что его функции распределены по всей сети. «Комму­татор» Ethernet состоит из сетевых адаптеров и разделяемой среды. Сетевые адаптеры представляют собой интерфейсы такого виртуального коммутатора, а разделяемая среда — коммутационный блок, который передает кадры между интерфейсами. Часть функций коммутационного блока выполняют адаптеры, так как они решают, какой кадр адресован их компьютеру, а какой — нет.

§ Адресация. Каждый компьютер, а точнее каждый сетевой адаптер, имеет уникальный аппаратный адрес (так называемый МАС-адрес, вы уже встречали этот акроним в гла­ве 2). Адрес Ethernet является плоским числовым адресом, иерархия здесь не исполь­зуется. Поддерживаются адреса для выборочной, широковещательной и групповой рассылки.

§ Разделение среды и мультиплексирование. В сети Ethernet на коммутаторах каждый ка­нал является дуплексным каналом связи, и проблемы его разделения между интерфей­сами узлов не возникает. Передатчики коммутаторов Ethernet используют дуплексные каналы связи для мультиплексирования потоков кадров от разных конечных узлов. В случае Ethernet на разделяемой среде конечные узлы применяют специальный метод доступа с целью синхронизации использования единственного полудуплексного канала связи, объединяющего все компьютеры сети. Единого арбитра в сети Ethernet на раз­деляемой среде нет, вместо этого все узлы прибегают к распределенному случайному методу доступа. Информационные потоки, поступающие от конечных узлов сети Ether­net, мультиплексируются в единственном передающем канале в режиме разделения времени. То есть кадрам разных потоков поочередно предоставляется канал. Чтобы подчеркнуть не всегда очевидную разницу между понятиями мультиплексирования и разделения среды, рассмотрим ситуацию, когда из всех компьютеров сети Ethernet только одному нужно передавать данные, причем данные от нескольких приложений. В этом случае проблема разделения среды между сетевыми интерфейсами не возникает, в то время как задача передачи нескольких информационных потоков по общей линии связи (то есть мультиплексирование) остается.

§ Кодирование. Адаптеры Ethernet работают с тактовой частотой 20 МГц, передавая в среду прямоугольные импульсы, соответствующие единицам и нулям данных компью­тера. Когда начинается передача кадра, то все его биты передаются в сеть с постоянной скоростью 10 Мбит/с (каждый бит передается за два такта). Эта скорость определяется пропускной способностью линии связи в сети Ethernet.

§ Надежность. Для повышения надежности передачи данных в Ethernet используется стандартный прием — подсчет контрольной суммы и передача ее в концевике кадра. Если принимающий адаптер путем повторного подсчета контрольной суммы обнару­живает ошибку в данных кадра, то такой кадр отбрасывается. Повторная передача кадра протоколом Ethernet не выполняется, эта задача должна решаться другими техноло­гиями, например протоколом TCP в сетях TCP/IP.

§ Очереди. В коммутируемых сетях Ethernet очереди кадров, готовых к отправке, ор­ганизуются обычным для сетей с коммутацией пакетов способом, то есть с помощью буферной памяти интерфейсов коммутатора.

В сетях Ethernet на разделяемой среде коммутаторы отсутствуют. На первый взгляд может показаться, что в Ethernet на разделяемой среде нет очередей, свойственных сетям с коммутацией пакетов. Однако отсутствие коммутатора с буферной памятью в сети Ethernet не означает, что очередей в ней нет. Просто здесь очереди переместились в буферную память сетевого адаптера. В те периоды времени, когда среда занята пере­дачей кадров других сетевых адаптеров, данные (предложенная нагрузка) по-прежнему поступают в сетевой адаптер. Так как они не могут быть переданы в это время в сеть, они начинают накапливаться во внутреннем буфере адаптера Ethernet, образуя очередь. Поэтому в сети Ethernet существуют переменные задержки доставки кадров, как и во всех сетях с коммутацией пакетов.

Выводы

В сетях с коммутацией каналов по запросу пользователя создается непрерывный информационный канал, который образуется путем резервирования «цепочки» линий связи, соединяющих абонентов на время передачи данных. На всем своем протяжении канал передает данные с одной и той же скоростью. Это означает, что через сеть с коммутацией каналов можно качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (голос, видео). Однако невозможность динамического пере­распределения пропускной способности физического канала является принципиальным недостат­ком сети с коммутацией каналов, который делает ее неэффективной для передачи пульсирующего компьютерного трафика.

При коммутации пакетов передаваемые данные разбиваются в исходном узле на небольшие части — пакеты. Пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес назначения, поэтому он может быть обработан коммутатором независимо от остальных данных. Коммутация пакетов повышает производительность сети при передаче пульсирующего трафика, так как при обслуживании большого числа независимых потоков периоды их активности не всегда совпадают во времени. Пакеты посту­пают в сеть без предварительного резервирования ресурсов в том темпе, в котором их генерирует источник. Однако этот способ коммутации имеет и отрицательные стороны: задержки передачи носят случайный характер, поэтому возникают проблемы при передаче трафика реального времени.

В сетях с коммутацией пакетов может использоваться один из трех алгоритмов продвижения па­кетов: дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и передача с установлением виртуального канала.

Вопросы и задания

1. Какие из приведенных утверждений верны при любых условиях:

а) в сетях с коммутацией пакетов необходимо предварительно устанавливать соедине­ние;

б) в сетях с коммутацией каналов не требуется указывать адрес назначения данных;

в) сеть с коммутацией пакетов более эффективна, чем сеть с коммутацией каналов;

г) сеть с коммутацией каналов предоставляет взаимодействующим абонентам гаранти­рованную пропускную способность.

2. Какие из сформулированных свойств составного канала всегда соответствуют действи­тельности:

а) данные, поступившие в составной канал, доставляются вызываемому абоненту без задержек и потерь;

б) составной канал закрепляется за двумя абонентами на постоянной основе;

в) количество элементарных каналов, входящих в составной канал между двумя або­нентами, равно количеству промежуточных узлов плюс 1;

г) составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении.

3. Пусть для передачи голоса используется дискретизация по времени с интервалом 25 мкс и дискретизация по значениям на уровне 1024 градации звукового сигнала. Какая про­пускная способность необходима для передачи полученного таким образом голосового трафика?

4. При каких условиях в коммутаторах сети с коммутацией пакетов должна быть предусмо­трена буферизация? Варианты ответов:

а) когда средняя скорость поступления данных в коммутатор превышает среднюю ско­рость их обработки коммутатором;

б) всегда;

в) если пакеты имеют большую длину;

г) если пропускная способность сети ниже суммарной интенсивности источников тра­фика.

5. Определите, на сколько увеличится время передачи данных в сети с коммутацией па­кетов по сравнению с сетью коммутации каналов, если известны следующие величины:

· общий объем передаваемых данных — 200 Кбайт;

· суммарная длина канала — 5000 км;

· скорость передачи сигнала — 0,66 скорости света;

· пропускная способность канала — 2 Мбит/с;

· размер пакета без учета заголовка — 4 Кбайт;

· размер заголовка — 40 байт;

· интервал между пакетами — 1 мс;

· количество промежуточных коммутаторов — 10;

· время коммутации на каждом коммутаторе — 2 мс.

Считайте, что сеть работает в недогруженном режиме, так что очереди в коммутаторах отсутствуют.