Организация передачи сообщений в сетях передачи данных

Существует два основных способа организации многоточечной связи: коммутация каналов и коммутация пакетов. К недостаткам связи с коммутацией каналов можно отнести следующие: низкий КПД (линия связи поддерживается, но используется лишь в моменты передачи сигнала); высокий уровень помех. Коммутация пакетов предусматривает постоянную связь абонентов. Лини, закрепленные за сетью, постоянно поддерживаются в требуемом состоянии, а промежуточных контактов при таком соединении намного меньше.

Коммутация пакетов. Сформированное сообщение, пройдя три верхних уровня, необходимых для определения формы взаимодействия (прикладной уровень), представления и преобразования сообщения в определенную унифицированную для данной сети форму (представительный уровень) и установления сеанса между абонентами (сеансовый уровень) попадает, наконец, в транспортную сеть (сеть связи).

Транспортная сеть обеспечивает транспортировку вверенных ей грузов - информации пользователя. Поступившее сообщение, прежде чем быть отправленным по каналу связи, подвергается обработке. Эта обработка идет под девизом «мелкий груз транспортировать удобнее». Поэтому громоздкое сообщение дробится на мелкие пакеты (так обычно называют самую мелкую «порцию» информации), которые «россыпью» запускают в сеть связи. Такова основная идея.

Реализуется она так. Сначала на четвертом (транс­портном) уровне сообщение дробится на фрагменты одинакового размера (аналог дробления груза для контейнерной перевозки), причем каждому фрагменту добавляется заголовок передачи, где указывается номер сообщения, номер фрагмента и имя получателя. В таком виде фрагмент обычно называют блоком.

Фрагмент 1    Фрагмент2

Сообщение

Фрагмент

Блок

 

 

На приемном конце, на том же четвертом уровне, получив этот блок, по заголовку можно определить его номер, составить из фрагментов переданное сообщение и отправить его на верхние уровни, где оно преобразуется к виду, доступному для понимания адресатом - пользователем или его компьютером.

Далее на третьем (сетевом) уровне добавляется заголовок, а на втором (канальном) пакет получает еще и концевик. Формируется кадр.

 

Сетевой уровень

Заголовок передачи

Фрагмент

Заголовок

Фрагмент

Заголовок передачи

Канальный уровень

Кадр

Концевик

Заголовок

 

В заголовке указывается маршрут и передается информация, необходимая для управления каналом связи, по которому предстоит пройти кадру. Такой информацией может быть, например, требование повторить передачу кадра, посланное в обратном направлении, или подтверждение правильного приема предыдущего кадра. Концевик предназначен для защиты кадра от помех. Он содержит обычно 2 байта (16 бит) контрольной информации, которая позволяет определить, правильно ли передан кадр. Если на приемном конце обнаружится, что кадр передан неправильно, то в заголовке кадра, следующем в обратном направлении, будет передан запрос на повторную передачу ошибочного кадра. При правильной передаче на «пункт отправки» пойдет подтверждение (так называемая положительная квитанция), после чего будет отправлен следующий кадр.

Сформированный кадр обрамляется флагами - шестью единицами между двумя нулями (01111110).

Канальный уровень

флаг

Фрагмент

Заголовок передачи

Кадр

Концевик

Заголовок

флаг

 

 

Эти флаги нужны для того, чтобы определить начало и конец кадра (в канале кадры идут без интервалов). А для того, чтобы не спутать флаг и сигнал, заранее, уславливаются, что в кадре не может быть более пяти единиц подряд - после каждой пятой единицы вставляется ноль (эту операция называют битстаффингом, т.е. вставкой бит). На приемном конце идет счет единиц, следующих подряд. Если после пяти единиц стоит ноль, то он сбрасывается (этот ноль не несет информации, он результат битстаффинга), а если единица, то это значит, что на приемник поступил флаг, разделяющий кадры.

На первом физическом уровне, происходит передача кадра в физический канал связи (телефонный, оптический, радиорелейный, тропосферный, спутниковый и т.д.) через аппаратуру передачи данных (модем, усилитель и т.д.).

Сеть с маршрутизацией пакетов

В сети с коммутацией пакетов каждый пакет направляется различными путями по определенному адресу и все сообщение собирается только у адресата. Такая сеть называется сетью с маршрутизацией пакетов.

Узловая ЭВМ (хост) должна составить сообщение, разделить его на пакеты, проверить пакеты и снабдить их заголовками и контрольными суммами, после чего начать направление пакетов по наименее загруженным маршрутам, т.е. должна следить за загрузкой коммуникационной подсети. Более того, коммуникационная подсеть имеет свою собственную архитектуру, не совпадающую с архитектурой "хостов". Поэтому прежде чем ввести пакеты в коммуникационную подсеть, надо преобразовать данные из структуры «хоста» в структуру подсети. Те же преобразования данных надо провести в обратном порядке после получения пакетов "хостом" - адресатом. Как же ускорить эту часть работы и освободить от этого "хост".

Для этого в сеть введены мини-ЭВМ, исполняющие роль программируемого адаптера между «хостом» и коммуникационной подсетью. Это одна часть функции этих машин, выполняемая, так сказать, «лицом к хосту». Вторую часть своей работы она выполняет «лицом к подсети», управляя всеми процедурами передачи пакетов по подсети и контролируя правильность передач.

Допустим, что из первого узла в четвертый направлено сообщение. "Хост"1 представил его в виде четырех пакетов и передал в мини-ЭВМ А1 первого узла. Мини-ЭВМ перевела пакеты в структуру коммуникационной сети и начала рассылку. Пакет номер 1 послан по диагональной ветви 1-4. Пока мини-ЭВМ дожидается подтверждения от мини-ЭВМ четвертого узла, второй пакет направляется по ветви 1-2-4 во второй узел, третий - по ветви 1-3-4 в третий узел. За это время по линии 4-1 пришло подтверждение о прибытии пакета номер 1. Линия освободилась, и по ней посылается четвертый пакет.

Когда получено и принято подтверждение о правильной пересылке четвертого пакета, начинается обработка сообщения в четвертом узле. Здесь происходит пересортировка пакетов по порядку их номеров (а не по порядку прибытия в четвертый узел), а затем мини-ЭВМ четвертого узла освобождает пакеты от служебной информации, связанной с пересылкой (номера пакета, адреса узла получателя, контрольной суммы), и информационную часть сообщения перекодирует из структуры, принятой для коммуникационной сети, в структуру ЭВМ "Хост" 4 и пересылает его в "Хост"4.

Производительность такой сети определяется в основном максимальной пропускной способностью линий связи и быстродействием мини-ЭВМ в части, обращенной к коммуникационной сети.

 

Сеть с селекцией пакетов

 

В начале 70-х годов была создана опытная сеть совершенно другого типа. Пакеты рассылаются всем абонентам без исключения. Адресат отбирает адресованный ему пакет, а остальные игнорирует. Такая сеть называется сетью с селекцией пакетов.

 

 

Пусть сообщение послал абонент 1 для абонента 4. Оно попадет ко всем абонентам, но 2, 3 и 5 абоненты его проигнорируют, абонент 4 примет для использования, а абонент номер 1 - для контроля правильности.

Если в этот же отрезок времени послал сообщение и другой абонент, то сообщения взаимно испортят друг друга. Наложение двух сообщений проконтролировано отправляющим, так как отраженное сообщение, принятое отправителем, не будет совпадать с посланным. Если произошла порча пакетов, а об этом узнают оба отправителя, то они повторяют посылку. Каждый при помощи генератора случайных чисел выбирает время задержки для посылки повторного сообщения (обычно время берется в интервале 3-30 времен полной посылки сообщения). Поскольку повторная попытка будет произведена абонентами в разное время, то столкновения их сообщений не произойдет, но может произойти столкновение с сообщениями других абонентов. Чем сильнее загружена сеть, тем больше производится повторных посылок и тем больше времени уходит на одну успешную передачу. Наконец, при увеличении нагрузки на сеть наступает такой момент, когда сообщение вообще не проходит (обычно 18 % загрузки).

Можно улучшить пропускную способность сети примерно вдвое, начиная все передачи по синхроимпульсу. Тогда не будет частичных наложений. Или сообщения проходят, или они полностью накладываются друг на друга.

Общая передающая среда, как в сети с селекцией пакетов, носит название моноканал.