Понятие модели сетевого обслуживания
Когда транспортный уровень передающего хоста посылает пакет в сеть (то есть передает его сетевому уровню того же хоста), может ли транспортный уровень положиться на сетевой уровень в деле доставки пакета получателю? Когда посылается большое количество пакетов, будут ли они доставлены транспортному уровню в том же порядке, в котором были отправлены? Сохранятся ли длительности временных интервалов между двумя последовательными пакетами? Будет ли сеть предоставлять обратную связь, извещая о перегрузке? Каковы абстрактные свойства канала, соединяющего транспортные уровни передающего и принимающего хостов? Ответы на эти вопросы определяются моделью обслуживания, предоставляемого сетевым уровнем. Модель сетевого обслуживания определяет характеристики сквозного транспорта данных между двумя периферийными устройствами сети, то есть между передающей и получающей оконечными системами.
Возможно наиболее важной абстракцией, предоставляемой сетевым уровнем более высоким уровням, является виртуальный канал (Virtual Channel, VC). В главе 1 говорилось, что пакетная сеть с виртуальными каналами ведет себя во многом подобно телефонной сети, в которой вместо «виртуальных каналов» используются «реальные каналы». «Жизнь» виртуального канала состоит из трех фаз.
1. Установка виртуального канала. Во время этой фазы отправитель связывается с сетевым уровнем, указывает адрес получателя и ждет, пока сеть установит виртуальный канал. Сетевой уровень определяет путь от отправителя до получателя, то есть последовательность линий связи и пакетных коммутаторов, через которые будут проходить все пакеты данного виртуального канала. Как было показано в главе 1, этот процесс обычно подразумевает обновление таблиц в каждом пакетном коммутаторе вдоль пути виртуального канала. Во время установки виртуального канала сетевой уровень может также зарезервировать ресурсы (например, пропускную способность) вдоль пути виртуального канала.
2. Передача данных. Как только виртуальный канал установлен, данные могут начать перемещение по виртуальному каналу.
3. Разрыв виртуального канала. Эта процедура начинается, когда отправитель (или получатель) информирует сетевой уровень о своем желании разорвать виртуальный канал. Затем, как правило, сетевой уровень информирует оконечную систему на другой стороне сети о разрыве соединения и обновляет таблицы в каждом пакетном коммутаторе пути, показывая, что виртуального канала более не существует.
Между установкой виртуального канала на сетевом уровне и установкой соединения на транспортном уровне есть едва различимая, но важная разница. В установку соединения на транспортном уровне вовлечены только две оконечные системы. Две оконечные системы договариваются об обмене данными и совместно определяют параметры (например, начальные порядковые номера и размер окна управления потоком) соединения транспортного уровня, прежде чем данные начнут перемещаться по соединению транспортного уровня. Хотя две оконечные системы «знают» о соединении транспортного уровня, коммутаторам сети ничего о нем не известно. Вместе с тем в случае сетевого уровня, основанного на виртуальных каналах, пакетные коммутаторы вдоль пути между двумя оконечными системами вовлекаются в установку виртуального канала, и таким образом каждый коммутатор знает все обо всех виртуальных каналах, проходящих через него.
Сообщения, которые оконечные системы посылают в сеть, чтобы информировать о начале процедуры разрыва виртуального канала, а также сообщения, которыми обмениваются коммутаторы для установки виртуального канала (то есть для изменения таблиц маршрутизации коммутаторов), называются сигнальными сообщениями, а протоколы, используемые для обмена этими сообщениями, часто называют сигнальными протоколами. Процесс установки виртуального канала схематично показан на рис. 4.2. Три технологии, в которых применяются виртуальные каналы (ATM, Frame Relay и Х.25).
При использовании дейтаграммного сетевого уровня каждый раз, когда оконечная система хочет послать пакет, она указывает в нем адрес получающей оконечной системы, а затем передает этот пакет в сеть. Как показано на рис. 4.3, эта процедура выполняется без предварительной установки виртуального канала. Коммутаторы пакетов в дейтаграммной сети (называемые в Интернете «маршрутизаторами») не содержат информации о состоянии виртуальных каналов (так как виртуальных каналов нет!). Вместо этого коммутаторы пакетов продвигают пакет по направлению к адресату, изучая адрес получателя пакета. При этом они ищут нужную им для этого информацию в своей таблице продвижения данных, используя адрес получателя в качестве индекса. Поскольку таблицы продвижения данных могут быть изменены в любое время, пакеты, относящиеся к одной серии пакетов, посланных одной оконечной системой другой оконечной системе, могут следовать по разным маршрутам и прибыть к получателю не в том порядке, в котором были посланы.
Службу виртуальных каналов также называют сетевой службой с у становлением соединения, а дейтаграммную службу — сетевой службой без установления соединения. В самом деле, служба виртуальных каналов представляет собой разновидность службы с установлением соединения, так как ее использование подразумевает установление и разрыв соединения, а также поддержку информации о состоянии соединения в коммутаторах пакетов. Дейтаграммная служба является разновидностью службы без установления соединения, так как в ней соединения не используются. Эта терминология обладает своими достоинствами и недостатками, и в литературе, посвященной компьютерным сетям, часто применяется и те и другие термины. В этой книге мы решили для сетевого уровня использовать понятия «службы виртуальных каналов» и «дейтаграммной службы», а термины «служба с установлением соединения» и «служба без установления соединения» оставить для транспортного уровня. Мы полагаем, что такое разграничение терминологии поможет читателю различать службы, функционирующие на этих двух уровнях.
Современная архитектура Интернета предоставляет единственную модель обслуживания с использованием дейтаграмм, также называемую обслуживанием по остаточному принципу (best-effort service). Если взглянуть на табл. 4.1, может показаться, что обслуживание по остаточному принципу — это просто эвфемизм, означающий «вообще никакого обслуживания». При обслуживании по остаточному принципу не дается гарантий сохранения временных интервалов между пакетами, не дается гарантий доставки пакетов с сохранением исходного порядка следования и даже не предоставляются гарантии доставки переданных пакетов. Такому определению службы будет удовлетворять даже сеть, которая вообще не доставляет никаких пакетов (кстати, в часы перегрузки Интернет напоминает именно такую сеть). Тем не менее, как мы скоро увидим, для использования подобной минималистской модели обслуживания имеются вполне разумные причины. Характерное для сегодняшнего Интернеты обслуживание по остаточному принципу расширяется, предлагая так называемое интегрированное обслуживание и дифференцированное обслуживание.
В других сетевых архитектурах бьтли определены и реализованы модели предоставления услуг, выходящие за рамки обслуживания по остаточному принципу. Например, сетевая архитектура ATM предоставляет несколько моделей обслуживания, таким образом, различные соединения в одной и той же АТМ-сети могут предоставлять различные классы обслуживания. Ниже представлены две наиболее важные модели обслуживания ATM.
□ CBR (Constant Bit Rate — постоянная битовая скорость). Это была первая стандартизированная модель обслуживания ATM, отразившая интерес телефонных компаний к технологии ATM. Служба CBR годится для передачи трафика реального времени с постоянной скоростью, например аудио и видео. Цель службы CBR проста — создать у отправителя и получателя впечатление, что их соединяет выделенная линия связи. Служба CBR гарантирует, что определенные параметры, такие как суммарная задержка доставки ATM-пакетов (в терминологии ATM называемых ячейками), изменчивость этой суммарной задержки (часто называемая «джиттером») и доля потерянных или доставленных с опозданием ячеек, не будут превышать указанных величин. Об этих величинах передающий хост и ATM-сеть договариваются во время установки CBR-соединения.
□ ABR (Available Bit Rate — доступная битовая скорость). По сравнению со службами Интернета эта служба предлагает несколько лучшее качество обслуживания. Как и в модели обслуживания Интернета, в модели обслуживания с доступной битовой скоростью ячейки могут теряться. Однако в отличие от Интернета порядок следования ячеек гарантируется. К тому же для соединения, использующего службу ABR, гарантируется определенная минимальная скорость передачи ячеек (Minimal Cell Rate, MCR). Кроме того, если в сети имеется достаточно свободных ресурсов, отправитель может успешно передавать данные с большей, чем MCR, скоростью. Помимо этого, как было показано в подразделе «Контроль перегрузок в службе ABR сетей АТМ» раздела «Принципы контролирования перегрузки», служба ABR может предоставлять отправителю обратную связь (при помощи специального бита индикации перегрузки или явного указания скорости передачи), что позволяет отправителю выбирать оптимальную скорость передачи в пределах от MCR до разрешенной пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate, PCR) в соответствии с текущей ситуацией.
Помимо служб CBR и ABR в стандарте ATM-сети специфицированы такие службы, как VBR (Variable Bit Rate — переменная битовая скорость) и UBR (Unspecified Bit Rate — неуказанная битовая скорость).