CC BY
17
SCIENCE TIME
■
ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ
Цараева Залина Германовна, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г. Владикавказ
E-mail: [email protected]
Аннотация. Данная статья посвящена проблемам оптимизации информационных процессов передачи данных. Компьютерные сети аккумулируют все лучшее, что создано и создается в области вычислительной техники и информационных технологий. Высокие темпы совершенствования и развития сетей обусловлены их важной ролью во всех сферах человеческой деятельности.
Ключевые слова: сети, мультиплексирование и демультиплексирование, повторитель, концентратор, мост, коммутатор, маршрутизатор, физическая и логическая структуризация, коллизия, протокол, трафик, мультимедийный.
В вычислительной технике двоичный код используется для кодирования данных и для передачи их между компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Поэтому при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования.
На способ передачи сигналов влияет количество проводов в линиях связи между компьютерами. Чтобы снизить стоимость линий связи в сетях, разработчики стараются сократить количество проводов и из-за этого используют последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов. При передаче сигналов приходится еще решать проблему взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. Эта проблема может решаться разными способами, как с помощью обмена
| SCIENCE TIME Щ
специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и посредством периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличной от формы импульсов данных.
При объединении в сеть большего количества компьютеров возникает целый комплекс новых проблем. Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в «чистом» виде, или «смешанный» поток, который объединяет в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования [1].
Важнейшим из множества способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение физический канал и передает по нему данные. Очень распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки. В общем случае на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе задачи — мультиплексирование и демультиплексирование.
В телекоммуникационных сетях используется подключение, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов. Возникает проблема согласованного использования канала несколькими интерфейсами. Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство — арбитр, в других — децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Из-за этого процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.
В последние годы наметилась тенденция отказа от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое
| SCIENCE TIME Щ
таким образом снижение стоимости сети приходится расплачиваться производительностью. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достается одному компьютеру, а при совместном использовании — делится на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности приходится мириться ради увеличения экономической эффективности сети.
Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:
- ограничения на длину связи между узлами;
- ограничения на количество узлов в сети;
- ограничения на интенсивность трафика, который генерируют узлы сети.
Для снятия этих ограничений используются особые методы
структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование — повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы [2].
Простейшее из коммуникационных устройств — повторитель (repeater) — используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала — восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). Использование концентраторов характерно практически для всех базовых технологий локальных сетей — Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.
Зачастую присутствует несовпадение физической и логической топологии. Так как концентратор повторяет данные, пришедшие с любого порта, на всех остальных портах, то они появляются на всех физических сегментах сети одновременно. Логика доступа к сети не меняется: все компоненты алгоритма случайного доступа — определение незанятости среды, захват среды, распознавание и обработка коллизий — остаются в силе. В сети Ethernet, построенной с использованием концентратора, проблема повышения ее надежности может быть решена автоматически — концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего
| SCIENCE TIME Щ
узла.
Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размера, без логической структуризации сети обойтись невозможно. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. Для решения проблемы приходится отказываться от идеи общей разделяемой среды в пределах всей сети, хотя она остается в пределах каждого отдела. Пропускная способность линий связи между отделами не должна совпадать с пропускной способностью среды внутри отделов. Если трафик между отделами составляет только 20% трафика внутри отдела, то и пропускная способность линий связи и коммуникационного оборудования, соединяющего отделы, может быть значительно ниже внутреннего трафика сети отдела.
Очень важное свойство компьютерной сети - это прозрачность (transparency), т.е. свойство сети скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, что упрощает работу в сети. Концепция прозрачности применима к различным аспектам сети. Прозрачность перемещения означает, что ресурсы могут свободно перемещаться из одного компьютера в другой без изменения имен. Еще одним из возможных аспектов прозрачности является прозрачность параллелизма, кот орая заключает ся в т ом, чт о процесс распараллеливания вычислений происходит автоматически, без участия программиста, при этом система сама распределяет параллельные ветви приложения по процессорам и компьютерам сети. В настоящее время нельзя сказать, что свойство прозрачности в полной мере присуще многим вычислительным сетям, это скорее цель, к которой стремятся разработчики современных сетей.
Компьютерные сети изначально предназначались для совместного доступа к ресурсам компьютеров: файлам, принтерам и т. п. Однако в 90-е годы компьютерные сети стали использоваться для организации видеоконференций, обучения на основе видеофильмов и т. п. Естественно, что для динамической передачи мультимедийного трафика требуются иные алгоритмы и протоколы, и, соответственно, другое оборудование. Главной особенностью трафика, образующегося при динамической передаче голоса или изображения, является наличие жестких требований к синхронности передаваемых сообщений. Для качественного воспроизведения непрерывных процессов, которыми являются звуковые колебания или изменения интенсивности света в видеоизображении, необходимо получение измеренных и закодированных амплитуд сигналов с той же частотой, с которой они были измерены на передающей стороне. При запаздывании сообщений будут
| SCIENCE TIME Щ
наблюдаться искажения.
В то же время трафик компьютерных данных характеризуется крайне неравномерной интенсивностью поступления сообщений в сеть при отсутствии жестких требований к синхронности доставки этих сообщений. Все алгоритмы компьютерной связи, соответствующие протоколы и коммуникационное оборудование были рассчитаны именно на такой "пульсирующий" характер трафика, поэтому необходимость передачи мультимедийного трафика требует внесения принципиальных изменений, как в протоколы, так и в оборудование. Особую сложность представляет совмещение в одной сети традиционного компьютерного и мультимедийного трафика. Сегодня затрачиваются большие усилия по созданию сетей, которые не ущемляют интересы одного из типов трафика. Наиболее близки к этой цели сети на основе технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), разработчики которой изначально учитывали случай сосуществования разных типов трафика в одной сети.
Технология АТМ является одной из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей. Главное отличие ее от других телекоммуникационных технологий заключается в высокой скорости передачи информации, причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важно и то, что АТМ-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «прозрачной» транспортировки различных видов трафиков и доступа к услугам и службам взаимодействующих с сетью АТМ-сетей [3].
В настоящее время в области систем управления сетями много нерешенных проблем. Большинство существующих средств вовсе не управляют сетью, а всего лишь осуществляют наблюдение за ее работой.
Поскольку данные, которыми обмениваются два конечных узла, проходят через некоторое количество промежуточных сетевых устройств, таких как концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, то поддержка качества обслуживания (Quality of Service, QoS) требует взаимодействия всех сетевых элементов на пути трафика. Реализация в компьютерных сетях механизмов поддержки QoS является сравнительно новой тенденцией. Существует два основных подхода к обеспечению качества работы сети. Первый состоит в том, что сеть гарантирует пользователю соблюдение некоторой числовой величины показателя качества обслуживания. При втором подходе "best effort", то есть сервис "с максимальными усилиями", сеть старается по возможности более качественно обслужить пользователя, но ничего при этом не гарантирует.
Очевидно, что сервис "с максимальными усилиями" обеспечивает приемлемое качество обслуживания только в тех случаях, когда производительность сети намного превышает средние потребности, то есть является избыточной. В такой сети пропускная способность достаточна даже для
«
I SCIENCE TIME Щ
поддержания трафика пиковых периодов нагрузки. Также очевидно, что такое решение не экономично — по крайней мере, по отношению к пропускным способностям сегодняшних технологий и инфраструктур, особенно для глобальных сетей. Тем не менее, построение сетей с избыточной пропускной способностью, будучи самым простым способом обеспечения нужного уровня качества обслуживания, иногда применяется на практике.
Для решения указанных проблем могут быть использованы сети и технологии Frame Relay (ретрансляция кадров) [4, 5] Протокол FR - это интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик. Отличительные особенности протокола FR: малое время задержки при передаче информации через сеть, высокие скорости передачи, «высокая степень связности», эффективное использование полосы пропускания. По сетям FR возможна передача не только собственно данных, но и оцифрованного голоса.
Стремительному развитию технологии FR и повышению ее эффективности способствует ряд факторов, в частности, улучшение качества каналов связи, использование современного многофункционального каналообразующего оборудования. К новому классу такого оборудования относятся мультимедийные пакетные коммутаторы. Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМ-сети по низкоскоростным каналам связи [6]. Эта технология в настоящее время является наиболее эффективной для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей и чувствительной к задержке голосовой информации.
Литература:
1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии протоколы - Спб.: Питер, 2010, 916с.
2. Оборудование для локальных сетей. - URL: http://www.intuit.ru/studies/ courses/3688/930/lecture/16466
3. Шиндер Д.Л. Основы компьютерных сетей. - М.: - СПб., Киев, 2003, 615с.
4. Гагин А. Сервисы Интернет - практическое рассмотрение. - М.: Jet Infosystems, 1996.
5. Иванова Т.И. Корпоративные сети связи. - М.: Эко Трендз, 2001, 279с.
6. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Москва, «Финансы и статистика», 2006, 560с.
