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 ему свой трафик, причем в обеих сетях производительность каналов связи одинакова. 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 N1 отправляется со­общение к конечному узлу N2 (рис. 3.11). На пути передачи данных расположе­ны два коммутатора.

L Рис. 3.11. 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 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 с временем приема сообщения из канала в буфер узла назначения, в этом случае оно называется 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:

ttr„a=V/C.

В сети с коммутацией пакетов передача данных не требует обязательного уста­новления соединения. Предположим, что в сеть, показанную на рис. 3.12, переда­ется сообщение того же объема V, что и в предыдущем случае (см. рис. 3.11), од­нако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Пакеты передаются от узла N1 в узел N2, 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 Т₁ — время доставки адресату первого пакета сообщения, a T_ps — всего сообщения.

Рис. 3.12. 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. 3.13).

Время передачи одного пакета от узла N1 до коммутатора 1 можно представить

в виде суммы нескольких слагаемых.

□ Во-первых, время тратится в узле-отправителе N1:

О tj — время формирования пакета, также называемое временем пакетиза­ции (значение этой задержки зависит от различных параметров работы программного и аппаратного обеспечения узла-отправителя и не зависит от параметров сети);

О t2 — время передачи в канал заголовка;

О t₃ — время передачи в канал поля данных пакета.

□ Во-вторых, дополнительное время тратится на распространение сигналов по

каналам связи. Обозначим через t₄ время распространения сигнала, представ­ляющего один бит информации, от узла N1 до коммутатора 1.

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

О ts —время приема пакета с его заголовком из канала во входной буфер коммутатора; как уже было отмечено, это время равно (t2 + t3), то есть вре­мени передачи пакета с заголовком в канал из узла источника;

О t₆ — время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких преде­лах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети;

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

Обозначим через T_N1._S1 время передачи пакета из узла N1 на выходной интер­фейс коммутатора 1. Это время складывается из следующих составляющих:

T_Ni-si= t₁+t₄+t₅+t₆+t₇.

Обратите внимание, что среди слагаемых отсутствуют составляющие t₂ и t₃. Из рис. 3.13 видно, что передача битов из передатчика в канал совмещается по вре­мени с передачей битов по каналу связи.

Время, затрачиваемое на оставшиеся два отрезка пути, обозначим соответствен­но T_Si-s2 ^и T_S2-n2«Эти величины имеют такую же структуру, что и T_N1._S1, за ис­ключением того, что в них не входит время пакетизации, и, кроме того, T_S2__N2 не включает время коммутации (так как отрезок заканчивается конечным узлом). Итак, полное время передачи одного пакета по сети составляет:

Ti ⁼ 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. 3.12): пакет обрабатывается за 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 = Т_{ + (п - 1) (t_{ + t₅).

Пример

Сравним задержки передачи данных в сетях с коммутацией пакетов с задержками в сетях с коммутацией каналов, основываясь на рис. 3.13. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составляет 200 ООО 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 и 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 на дополнительные 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. 3.14). Два коммутатора объединены каналом связи с пропуск­ной способностью 100 Мбит/с. Пользователи сети подключаются к сети с помощью каналов доступа (access links) 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 %.

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 1 с 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 аргументированно утверждать, в каких случаях рациональнее использовать сети с коммутацией каналов, а в ка­ких — с коммутацией пакетов.

Разделение среды
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 передается 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 физических каналов в соответствии с фактической интенсивностью трафика абонентов

Разделение среды

Список ключевых слов: разделение среды передачи, случайный метод доступа, сетевая интерфейсная карта, или сетевой адаптер, коллизия, детерминированный метод доступа, маркер, или токен, доступа, коммуникационное оборудование, топология физических связей, топология логических связей, повторитель, концентратор, или хаб, мост, логический сегмент, коммутатор, маршрутизатор, контрольная сумма.

Ранее уже шла речь о принципах совместного использования канала нескольки­ми интерфейсами, или, другими словами, о разделении передающей среды. Рас­смотрим, как эти принципы работают в локальных сетях с коммутацией пакетов.

Разделение среды передачи долгое время было самой популярной концепцией построения локальных сетей, на ее основе разработаны такие известные техно­логии, как Ethernet, FDDI, Token Ring. Однако можно согласиться и с теми, кто считает, что сети на разделяемых средах уже пережили пик своей популярности и сейчас в локальных сетях доминирует коммутируемый стандарт Ethernet. Но сетевой мир так быстро меняется, что уже снова возникли признаки возрожде­ния интереса к разделяемой среде. Новыми сферами применения разделяемой среды передачи данных являются, например, домашние проводные сети Ноте PNA (Ноше Phoneline Networking Alliance), которые используют в качестве раз­деляемой среды силовую проводку в доме. На принципе разделения среды осно­ваны и персональные радиосети новой технологии Bluetooth, предназначенные для объединения всех «компьютеризованных» устройств личного пользования (помимо собственно компьютера это могут быть устройства PDA^[8], телевизор, мобильный телефон и даже холодильник). Кроме того, в последнее время стали популярны локальные сети Radio Ethernet, применяемые для подключения поль­зователей к Интернету в аэропортах, вокзалах и других местах скопления мо­бильных пользователей.

Новое — это хорошо забытое старое — классическая сеть Ethernet тоже начина­лась с радиосети Aloha Гавайского университета, где впервые была опробована разделяемая среда. Просто долгое время радиоэфир не фигурировал в качестве передающей среды в стандартах Ethernet, хотя всегда использовался в нестан­дартных продуктах отдельных компаний. С появлением стандартов Radio Ethernet в конце 90-х годов историческая справедливость была восстановлена.