Сетевой уровень

Этот уровень определяет общие аспекты создания и управления логическими соединениями и потоками данных и обеспечивает одновременное взаимодействие нескольких абонентов сети. Сетевому уровню соответствует сетевой протокол, реализующий следующие основные функции:

· коммутация (соединение) абонентов компьютерной сети через коммуникационную подсеть;

· выбор и оптимизация маршрутов передачи данных;

· управление потоками данных.

Процесс взаимодействия абонентов сети может осуществляться через коммуникационную подсеть с помощью коммутации каналов, сообщений и пакетов.

Реализация связи абонентов по принципу коммутации каналов осуществляется с помощью специальных устройств - коммутаторов. При этом устанавливаемый сквозной физический канал, проходящий через коммуникационную подсеть и соединяющий вступивших в связь абонентов, используется монопольно.

В случае второго способа связи (коммутации сообщений) сообщение последовательно через промежуточные коммуникационные узлы (маршрутизаторы) проходит путь от компьютера - источника к компьютеру - приемнику. Выбор маршрута следования сообщения осуществляется в каждом из промежуточных узлов (маршрутизаторов) и зависит от наличия свободного канала на пути следования к компьютеру - приемнику. Существенными недостатками метода коммутации сообщений являются значительные временные задержки в условиях интенсивного сетевого трафика (потока данных) и низкая эффективность использования ресурсов узлов коммутации (маршрутизаторов) и пропускных способностей каналов связи.

Коммутация пакетов позволяет в значительной степени избежать недостатков коммутации сообщений. Сущность этого метода заключается в разбиении передаваемого сообщения в компьютере - источнике на отдельные блоки (пакеты), размер которых определяется стандартным рядом: 64, 128, 256, 512,..., 4096 байт. Затем пакеты перемещаются через коммуникационную подсеть независимо друг от друга в компьютер ‑ приёмник, где осуществляется сборка из принятых пакетов переданного сообщения.

Наибольшее распространение получили два метода коммутации пакетов: дейтатаграммный, когда пакеты перемещаются через коммуникационную подсеть без предварительного определения пути их следования, и виртуального соединения, при котором перед передачей данных такой путь устанавливается и затем разрушается с окончанием передачи.

Следует отметить, что при передаче длинных сообщений коммутация каналов обеспечивает более высокую скорость передачи по сравнению с другими видами коммутации. Кроме того, коммутация каналов не требует наличия промежуточной памяти (буферов) в узлах коммутации.

При выборе стратегии маршрутизации, которая подразделяется на статическую и адаптивную, следует руководствоваться следующими соображениями.

Если технология сети не изменяется (из-за отказов, модификации, развития) и входные потоки данных стационарны, то выбирается статическая маршрутизация, которая характеризуется совокупностью фиксированных путей между всеми парами узлов. Трафик между каждой парой источник ‑ адресат может быть распределен одновременно по нескольким путям во вполне определенных, фиксированных во времени, пропорциях. Однако в условиях реальной сети, топология со временем изменяется, а входные данные пользователей имеют тенденцию к колебаниям во времени. Поэтому, для минимизации задержек необходимо реализовать некоторую адаптивную стратегию маршрутизации, позволяющую реагировать на изменения состояния сети.

Выбор маршрутов движения сообщений через коммуникационную подсеть осуществляется на основе данных таблиц маршрутизации, которые находятся в узлах коммутации (см. рис. 11). Структура таблицы маршрутизации приведена на рис. 12.

Рис. 11. Схема информационных потоков от узла к узлу

1 2

Рис. 12. Таблица маршрутизации узла

Таблица маршрутизации указывает, как в зависимости от конечного адресата должен быть распределен по выходным линиям трафик, поступающий в данный узел. Маршрутная таблица для узла представляет собой некоторую матрицу размерностью , где число узлов коммутации в сети, а - число соседей узла . Матрица это часть трафика, адресованного в узел , который при поступлении в узел направляется через соседний узел . Тогда справедливо следующее выражение:

.

При статической маршрутизации содержимое таблиц маршрутизации не изменяется, либо изменяется достаточно редко.

При адаптивной стратегии маршрутизации значения будут изменяться во времени. Существуют следующие типы адаптивной стратегии.

Изолированная стратегия. Маршруты вычисляются каждым узлом независимо, на основе локальной информации (состояние очередей к выходным линиям, приоритет выходных линий и т.д.). Между узлами не производится обмена ни маршрутной информацией, ни информацией о состоянии узлов.

Распределенная стратегия. Маршруты вычисляются параллельно и согласовываются всеми узлами на основе неполной информации о их состоянии, которой они обмениваются.

Централизованная стратегия. Сетевой маршрутный центр (СМЦ) собирает глобальную информацию о состоянии сети, вычисляет маршруты минимальной задержки и корректирует или распределяет маршрутные таблицы (или маршрутные команды) по всем узлам.

Смешанная стратегия. Эта стратегия включает в себя свойства всех предыдущих стратегий или их комбинацию. Например, она может объединять изолированную и централизованную стратегии маршрутизации.

Управление потоком данных. При передаче данных между абонентами сети возникает состязание за сетевые ресурсы (каналы связи, буфера приема-передачи, узлы коммутации). Если состязание за эти ресурсы не контролируется, то возникают следующие проблемы: падение эффективности, несправедливое распределение ресурсов и перегрузки.

Пример неэффективного использования ресурсов приведён на рис. 13.

Рис. 13. Пример распределения сетевых ресурсов

На рис.13 представлена двухузловая сеть, состоящая из двух узлов коммутации и подключенных к нему компьютеров , . Цифрами указаны скорости передачи данных. Предположим, что первоначально от компьютера к компьютеру передача данных не ведётся. Тогда общая производительность сети, равная 20 единицам, определяется передачей от компьютеров к и к . Допустим, что в некоторый момент времени открылась передача данных из компьютера к компьютеру . Из ‑ за несогласованности скоростей передачи данных в линиях связи, буфера приёма ‑ передачи в узлах коммутации быстро наполняются трафиком от компьютера . Следовательно, пакеты из и сбрасываются узлами коммутации (переполнение буферов) и производительность передачи по линиям связи , и , падает до нуля. Введение нового трафика вызывает уменьшение суммарной производительности сети с 20 до 10 единиц. Это падение эффективности вызвано неэффективным расходом буферной памяти трафиком (захват буферов).

Сеть считается перегруженной, если некоторое приращение внешнего трафика вызывает уменьшение ее производительности. В условиях перегрузки работа сети нежелательна по двум причинам: из-за падения эффективности и возникновения блокировок.

Блокировки представляют собой такое событие, при котором производительность сети или ее отдельных фрагментов падает до нуля. Блокировки подразделяются на два типа: прямую и косвенную.

Пример прямой блокировки приведен на рис. 14.

Рис. 14. Пример прямой блокировки передачи данных

Если узел наполнен адресованными к узлу пакетами, а узел наполнен адресованными к узлу пакетами, то по линии , не может пройти никакой трафик. Эту тупиковую ситуацию часто называют прямой блокировкой передачи с промежуточным накоплением.

Простым решением проблемы возникновения прямой блокировки является ограничение очереди к линии связи . Если очередь в линию связи (где меньше суммарного количества буферов узла), рассматриваемый узел объявляется перегруженным для входного трафика, направленного в линию . Эта стратегия, называемая стратегией ограничения канальных очередей, исключает возможность возникновения прямых блокировок, поскольку пакеты узла , направленные к узлу , не могут занять весь буферный пул в узле . При этом защита от перегрузок узлов , выполняется протоколом управления каналом передачи данных, который осуществляет автоматический сброс пакетов на приемной стороне (если приемник перегружен) и последующую их повторную передачу после тайм ‑ аута. Этот процесс продолжается до тех пор, пока перегрузка узла не исчезнет.

Существует другой вид блокировки, которая может возникнуть в пакетных сетях, - косвенная блокировка. Этот вид блокировки поясняет рис. 15.

Предположим, что создались неблагоприятные условия распределения трафика в сети кольцевой топологии, приведенной на рис.15.

В результате этого произошло заполнение каждой очереди пакетов до уровня , т.е. предела, определяемого стратегией ограничения канальных очередей. Кроме этого, предположим, что в каждом узле находятся пакеты, адресованные узлу, находящему через два или более транзитных участков (например, все пакеты, находящиеся в очереди к линии А, В, адресованы узлу С.). В этих условиях, в сети не сможет передаваться никакой трафик, поскольку все очереди равны . Таким образом, существует тупиковая ситуация несмотря на то, что сеть снабжена механизмом предотвращения прямых блокировок, т.е. стратегией ограничения канальных очередей. Такой вид блокировки называется косвенной блокировкой.

Для предотвращения косвенных блокировок применяется стратегия структурированного буферного пула. Согласно этой стратегии буферы узлов организованы в иерархическую структуру, которая приведена на рис. 16.

	Уровни
	Общий пул

Рис. 16. Структурированный буферный пул

На нулевом уровне имеется пул неограниченных для использования буферов. От уровня 1 до уровня (где - максимальное число транзитных участков на любом пути в сети) буферы резервируются для пакетов конкретного класса. В частности, буферы уровня резервируются для пакетов, которые преодолели транзитных участков. Таким образом, в условиях большой нагрузки буферы постепенно заполняются от уровня 0 до . Когда на узле буферы уровня заполнены, поступающие пакеты, прошедшие транзитных участков, сбрасываются, что исключает прямую и косвенную блокировки.

Для создания структурированного буферного пула в каждом узле требуется буферов (, где число узлов коммутации), а также поддержка его работы.