Читайте также:
|
Канальний рівень (Data Link Layer) ділиться в локальних мережах на два підрівні:
- управління логікою з’єднання (Logical Link Control, LLC);
- управління доступом до середовища (Media Access Control, MAC).
Media Access Control (MAC), рівень управління доступом до середовища (передачі), а також за прийом та обробку кадрів даних – підрівень протоколу передачі даних, також відомий, як Medium Access Control. Є підрівнем канального (другого) рівня моделі OSI. MAC забезпечує адресацію і механізми управління доступом до каналів, що дозволяє декільком терміналам або точкам доступу спілкуватися між собою в багатокрапковій мережі (наприклад, в локальній або міський обчислювальної мережі). Підрівень MAC виступає в якості інтерфейсу між підрівнем управління логічним зв'язком і фізичним (першим) рівнем моделі OSI, і емулює повнодуплексний логічний канал зв'язку в багатокрапковій мережі.[12,13]
Рівень передачі даних повинен виконувати ряд специфічних функцій. До них відносяться:
• забезпечення строго окресленого службового інтерфейсу для мережевого рівня;
• обробка помилок передачі даних;
• управління потоком даних, що виключає затоплення повільних приймачів швидкими передавачами.
Для цих цілей канальний рівень бере пакети, отримані з мережевого рівня, і вставляє їх у спеціальні кадри для передачі. Управління кадрами - це основа діяльності рівня передачі даних.
Завдання рівня передачі даних полягає в наданні сервісів мережному рівню. Основним сервісом є передача даних від мережевого рівня передавальної машини мережному рівню приймаючої машини. На передавальної машині працює якась сутність, або процес, який передає біти з мережевого рівня на рівень передачі даних для передачі їх за призначенням. Робота рівня передачі даних полягає в передачі цих бітів на приймаючу машину так, щоб вони могли бути передані мережному рівню приймаючої машини.
Рівень передачі даних може надавати різні сервіси. Їх набір може бути різним у різних системах. Зазвичай можливі такі варіанти.
1. Сервіс без підтверджень, без встановлення з'єднання.
2. Сервіс з доказами, без встановлення з'єднання.
3. Сервіс з підтвердженнями, орієнтована на з'єднання.
Сервіс без підтверджень і без установки з'єднання полягає в тому, що передавальна машина посилає незалежні кадри приймаючої машині, ключові аспекти організації рівня передачі даних, а приймаюча машина не посилає підтверджень про прийом кадрів. Ніякі з'єднання заздалегідь не встановлюються і не розриваються після передачі кадрів. Якщо який-небудь кадр втрачається через шум в лінії, то на рівні передачі даних не робиться жодних спроб відновити його. Даний клас сервісів прийнятний при дуже низькому рівні помилок. У цьому випадку питання, пов'язані з відновленням втрачених при передачі даних, можуть бути залишені верхнім рівням. Він також застосовується в лініях зв'язку реального часу, таких як передача мови, в яких краще отримати спотворені дані, ніж отримати їх з великою затримкою.
Наступним кроком у бік підвищення надійності є сервіс з доказами, без встановлення з'єднання. При його використанні з'єднання також не встановлюється, але отримання кожного кадру підтверджується. Таким чином, відправник знає, чи дійшов кадр до пункту призначення в цілості. Якщо протягом встановленого інтервалу часу підтвердження не надходить, кадр надсилається знову.
Надання тверджень є скоріше оптимізацією, ніж вимогою. Мережевий рівень завжди може послати пакет і чекати підтвердження його доставки. Якщо за встановлений період часу підтвердження не буде отримана відправником, повідомлення може бути вислано ще раз. Проблема при використанні даної стратегії полягає в тому, що кадри зазвичай мають жорстке обмеження максимальної довжини, пов'язане з апаратними вимогами. Пакети мережевого рівня таких обмежень не мають. Таким чином, якщо середнє повідомлення розбивається на 10 кадрів і 20% з них втрачається по дорозі, то передача повідомлення таким методом може зайняти дуже багато часу. Якщо підтверджувати отримання окремих кадрів і в разі помилки посилати їх повторно, передача всього повідомлення займе набагато менше часу.
Найбільш складним сервісом, який може надавати рівень передачі даних, є орієнтована на з'єднання служба з підтвердженнями. При використанні даного методу джерело і приймач, перш ніж передати один одному дані, встановлюють з'єднання. Кожен посилається кадр нумерується, а канальний рівень гарантує, що кожен посланий кадр дійсно прийнятий на іншій стороні каналу зв'язку. Крім того, гарантується, що кожен кадр був прийнятий всього один раз і що всі кадри були отримані в правильному порядку. У службі без встановлення з'єднання, навпаки, можливо, що при втраті підтвердження один і той же кадр буде посланий кілька разів і, отже, кілька разів отриманий. Орієнтований на з'єднання сервіс надає процесам мережевого рівня еквівалент надійного потоку бітів.
Зазвичай рівень передачі даних розбиває потік бітів на окремі кадри і вважає для кожного кадру контрольну суму. Коли кадр прибуває в пункт призначення, його контрольна сума підраховується знову. Якщо вона відрізняється від тої, що міститься в кадрі, то рівень передачі даних розуміє, що при передачі кадру сталася помилка, і вживає заходів (наприклад, ігнорує зіпсований кадр і посилає передавальної машині повідомлення про помилку).
Для гарантування надійної доставки постачальнику надсилається інформація про те, що відбувається на іншому кінці лінії. Протокол вимагає від одержувача посилати назад спеціальні керуючі кадри, що містять позитивні або негативні повідомлення про отримані кадрах. Отримавши позитивне повідомлення, відправник дізнається, що посланий ним кадр успішно отриманий на тому кінці лінії. Негативний повідомлення, навпаки, означає, що з кадром щось трапилося і його потрібно передати знову. Крім того, посланий кадр може через несправність обладнання або який-небудь перешкоди (наприклад, шуму) прірву повністю. У цьому випадку приймаюча сторона його просто не отримає і, відповідно, ніяк не прореагує, а відправник може вічно очікувати позитивного або негативної відповіді і так нічого і не отримати.
Щоб уникнути зависань мережі у разі повної втрати кадрів, використовуються таймери рівня передачі даних. Після посилки кадру включається таймер і відраховує інтервал часу, достатній для отримання приймаючим комп'ютером цього кадру, його обробки і посилки назад підтвердження. У нормальній ситуації кадр правильно приймається, а підтвердження надсилається назад і вручається відправнику, перш ніж закінчиться встановлений інтервал часу, і тільки після цього таймер вимикається.
Головною проблемою будь-яких широкомовних мереж є питання про те, як визначити, кому надати канал, якщо користуватися ним одночасно хочуть кілька комп'ютерів. Протоколи, застосовуються для визначення того, хто має доступ наступним, відносяться до підрівню рівня передачі даних, званому MAC (Medium Access Control - управління доступом до середовища).
При великій і постійно мінливій кількості відправників даних або пульсуючому трафіку частотне ущільнення не може забезпечити достатньо ефективний розподіл каналу. Якщо кількість користувачів у будь-який момент часу менше числа діапазонів, на які поділено спектр частот, то більша частина спектра не використовується і витрачається даремно. Якщо, навпаки, кількість користувачів виявиться більше числа доступних діапазонів, то декому доведеться відмовити в доступі до каналу, навіть якщо абоненти, котрі вже захопили його, майже не будуть використовувати пропускну здатність.
Однак навіть якщо припустити, що кількість користувачів можна якимось способом утримувати на постійному рівні, то поділ каналу на статичні підканали все одно є неефективним. Основна проблема тут полягає в тому, що якщо якась частина користувачів не користується каналом, то ця частина спектра просто пропадає. Вони самі при цьому займають лінію, не передаючи нічого, і іншим не дають передати дані. Крім того, в більшості комп'ютерних систем трафік є надзвичайно нерівномірним.[14]
1.3.1. Методи забезпечення якості обслуговування (QoS). Методи забезпечення якості обслуговування (QoS) займають сьогодні важливе місце в арсеналі технологій мереж з комутацією пакетів, так як вони забезпечують стійку роботу сучасних мультимедійних додатків, таких як IP-телефонія, відео-та радіомовлення, інтерактивне дистанційне навчання і тому подібне. Методи QoS спрямовані на поліпшення характеристик продуктивності і надійності мережі, розглянутих в попередньому розділі; ці методи дозволяють зменшити затримки, варіації затримок, а також втрати пакетів в періоди перевантаження мережі, створюючи тим самим необхідні умови для задовільного обслуговування мережею трафіку додатків.
Методи забезпечення якості обслуговування спрямовані на компенсацію негативних наслідків тимчасових перевантажень, що виникають в мережах з комутацією пакетів. У цих методах використовуються різні алгоритми управління чергами, резервування та зворотного зв'язку, що дозволяють знизити негативний вплив черг до прийнятного для користувачів рівня.
Служба QoS, є у своєму роді «розпорядником» пропускної здатності каналів і продуктивності комунікаційних пристроїв, контролюючи і регулюючи споживання ресурсів мережі трафіком окремих користувачів і їх груп.
Поняття якості обслуговування в пакетних мережах є суто статистичним. В умовах, коли пакети передаються кінцевими вузлами в мережу у випадкові моменти часу, черги в комунікаційних пристроях теж являють собою випадкові процеси, що призводить до того, що миттєва швидкість потоку даних і затримки пакетів також носять випадковий характер. Тому всі параметри, якими вимірюється якість обслуговування в пакетних мережах, є статистичними. Як правило, це середні значення (математичне очікування) і варіації (дисперсії) швидкості інформаційного потоку і затримок пакетів. Немає сенсу говорити про затримку окремого пакета або про швидкість потоку на дуже маленькому проміжку часу, сумірному з часом передачі одного пакета. Будь-які числові оцінки якості обслуговування можуть бути на практиці виміряні шляхом усереднення відповідних величин на якому-небудь заздалегідь обумовленому проміжку часу.
Типи QoS розрізняються за ступенем «суворості», тобто по тому, наскільки твердо сервіс QoS може гарантувати забезпечення певних значень характеристик QoS - пропускної здатності, затримок, варіацій затримок, рівня втрат пакетів і т.п.
Можна виділити три типи служб QoS:
- Сервіс з максимальними зусиллями, який також можна назвати відсутністю QoS, забезпечує взаємодію кінцевих вузлів без яких би то не було гарантій. Типові представники таких послуг - класичні мережі Ethernet або IP, які не роблять ніяких відмінностей між пакетами окремих користувачів і додатків і обслуговують ці пакети на підставі принципу FIFO (першим прийшов - першим обслужений).
- Сервіс з перевагою (званий також «м'яким» сервісом QoS) - деякі типи трафіку обслуговуються краще, ніж інші. Маються на увазі більш швидка обробка, в середньому більше пропускної здатності і менше втрат даних. Це статистичне перевагу, а не чисельно виражені гарантії. Точні значення параметрів QoS, які отримають додатки в результаті роботи служби QoS цього типу, невідомі і залежать від характеристик пропонованого мережі трафіку. Наприклад, якщо високопріоритетний трафік пропонує мережі в даний момент часу низьку інтенсивність своїх пакетів, то низькопріоритетний трафік може в цей час отримувати вельми якісне обслуговування - значну пропускну здатність і низькі затримки. Однак при зміні ситуації, коли високопріоритетний трафік починає посилати в мережу свої пакети з високою інтенсивністю, низькопріоритетний трафік може взагалі якийсь час не обслуговуватися.
- Гарантований сервіс (званий також «жорстким», або «справжнім», сервісом QoS) дає статистичні чисельні гарантії різним потокам трафіку. Зазвичай такий вид QoS заснований на попередньому резервуванні мережевих ресурсів для кожного з потоків, що отримав гарантії обслуговування. Трафік, якому виділили ресурси, гарантовано має при проходженні через мережу ті параметри пропускної здатності або затримок, які визначені для нього в числовому вигляді (звичайно, якщо джерела цього трафіку не порушують обумовлених для них умов і генерує не більше пакетів, ніж передбачалося). Служби такого типу здатні, наприклад, гарантувати додатком домовлену пропускну здатність, не зменшується ні за яких обставин, якою б перевантаженої мережа не ставала. Слід зазначити, що гарантії носять статистичний характер, тобто можна гарантувати деякий числове значення якого-небудь параметра тільки з певною ймовірністю, нехай дуже високою, але, природно, не рівною 1. Наприклад, з імовірністю 0,999 можна стверджувати, що затримка пакета не перевищить 100 мс, отже, один пакет з 1000 може затриматися в мережі і на більший час. Другою складовою такого режиму роботи служби QoS є вхідний контроль потоків, яким дано гарантії. Дійсно, дотримуватися дані гарантії можна в тому випадку, якщо інтенсивності входять в мережу потоків не перевищують граничних заздалегідь обумовлених значень. В іншому випадку потік буде споживати більше ресурсів, ніж йому виділялося, а значить, іншим потокам дістанеться менше, ніж було заплановано, і гарантії для них дотримані не будуть.
Ці три підходи до роботи служб QoS не виключають, а доповнюють один одного. В результаті їх комбінування дозволяє врахувати різноманітні вимоги додатків і різні умови роботи мережі.
Існує два підходи до визначення того, які характеристики продуктивності і надійності слід віднести до характеристик якості обслуговування, тобто до тих характеристикам, які можуть бути поліпшені за допомогою методів QoS. В одному випадку, під характеристиками QoS розуміється тільки три характеристики:
• одностороння затримка PDU;
• варіація затримок PDU;
• втрати PDU.[15,16]
1.3.2. Одностороння затримка PDU. Одностороння затримка PDU (One-Way Delay Metric, OWD) входить в число стандартів IPPM і описана в RFC 2679.
Одиничне значення цієї метрики описується як час передачі кадру певного типу між деякими двома вузлами мережі. Під певним типом розуміється фрейм, який має певний набір заздалегідь заданих ознак; стандарт жорстко не обумовлює ці ознаки, але вказує, що ними можуть бути, наприклад, розмір кадру, тип додатку, згенерованого кадру, тип протоколу канального рівня, який доставив кадр, а також деякі інші. Сенс використовуваного набору ознак полягає в тому, щоб виділити із загального потоку фреймів, що приходить у вузол призначення, ті фрейми, характеристики яких цікавлять фахівця, який проводить вимірювання.
Одиничне значення односторонньої затримки кадрів визначається як інтервал часу між моментом приміщення в вихідну лінію зв'язку першого біта кадру вузлом-відправником і моментом прийому останнього біта кадру з вхідної лінії зв'язку вузла-одержувача.
Так як в цьому визначенні враховується час буферизації фрейму вузлом-одержувачем, то затримка залежить від розміру кадру, і для отримання порівнянних результатів бажано у визначенні типу кадрів задавати певний розмір фрейму. RFC 2679 не пояснює, чому було обрано визначення затримки, залежне від розміру кадру, але можна припускати, що це пов'язано із зручністю вимірювання часу приходу кадру, так як програмно його можна виміряти тільки після завершення запису всього кадра в буфер операційної системи. Та й зрозуміти, чи відноситься фрейм до потрібного типу, при отриманні лише його першого біта також неможливо.
У тому випадку, якщо кадр не прибув у вузол призначення за деякий досить великий час (точне значення залишено розробнику системи вимірювань), то кадр вважається загубленим, а його затримка невизначеною (її можна вважати рівною нескінченності).
Послідовність замірів рекомендується виконувати у випадкові моменти часу, що підкоряються розподілу Пуассона. Такий порядок вибору часу замірів дозволяє уникнути можливої синхронізації вимірювань з будь-якими періодичними флуктуаціями в поведінці мережі, так як така синхронізація може істотно спотворити спостережувану картину.
RFC 2679 рекомендує використовувати такі статистичні оцінки для одностороннього часу затримки:
• квантиль для деякого відсотка, при цьому саме значення відсотка не обмовляється;
• середнє значення затримки;
• мінімальне значення затримки (у вибірці).
Квантилі зручні для оцінки затримок в тих випадках, коли відсоток втрат кадрів досить високий, так що обчислення середнього значення затримки викликає певні труднощі (можна ігнорувати втрати кадрів, але тоді ми отримаємо надто занижену оцінку). Для обчислення квантиля втрачені кадри можна розглядати як кадри, які прийшли з нескінченно великою затримкою, яка, природно, більше значення квантиля.[15]
1.3.3. Варіація затримки PDU. Варіація затримки PDU, яка входить до числа стандартів IPPM, описана в RFC 3393. Варіація затримки фреймів, яку також називають джіггер (jitter), дуже важлива для деяких додатків. Так, при відтворенні відеокліпу сама по собі затримка не надто істотна, наприклад, якщо всі кадри затримуються рівно на десять секунд, то якість відтворення не постраждає, а той факт, що картинка з'являється трохи пізніше, ніж її відіслав сервер, користувач навіть не помітить (проте в інтерактивних відеододаток, таких як відеоконференції, подібна затримка буде, звичайно, вже відчутно дратувати). А от якщо затримки постійно змінюються в межах від нуля до 10 секунд, то якість відтворення кліпу помітно погіршиться, для компенсації таких змінних затримок потрібна попередня буферизація кадрів, що надходять протягом часу, що перевищує варіацію затримки.
Одиничне значення оцінки варіації затримки визначається в RFC 3393 як різниця односторонніх затримок для пари кадрів заданого типу, отриманих на інтервалі вимірювань Т.
Як і для односторонньої затримки, тип кадра може здаватися будь-якими ознаками, однак для визначеності вимірювань варіації затримки розміри обох кадрів пари повинні бути однаковими. Основне питання в цьому визначенні - яким чином вибрати пару кадрів на інтервалі вимірювання Г? Для відповіді на це питання в RFC 3393 вводиться додаткова функція - так звана виборча функція, яка і визначає правила вибору пари кадрів. Стандарт не визначає точне значення цієї функції, він тільки говорить, що вона повинна існувати, і дає приклади можливих функцій. Наприклад, пари можуть утворюватися з усіх послідовних кадрів, отриманих на інтервалі; іншим прикладом є вибір кадрів з певними номерами в послідовності отриманих кадрів, наприклад кадрів з номерами 1, 5, 10,15 і т. д. з інтервалом 5.
Для оцінки варіації затримки відповідно до рекомендацій RFC 3393 вимагається вимірювання затримок певних пар фреймів. У той же час часто використовується інший підхід до визначення варіації затримки, що вимагає тільки знання вибірки односторонніх затримок без їх угруповання в пари, що відповідають певним умовам. Наприклад, у вже згадуваному документі «Метрики IP-продуктивності для користувачів» в якості оцінки варіації затримки пропонується так званий розкид затримки (delay spread). Розкид затримки визначається як різниця між 75- і 25-відсотковими Квантиль односторонньої затримки. Таким чином, для того щоб оцінити варіацію затримки по цьому визначенню, достатньо отримати вибірку значень однобічної затримки, а потім знайти відповідні квантилі.[15]
1.3.4. Втрати PDU. В якості характеристики втрат PDU використовується частка втрачених кадрів (позначимо її I), що дорівнює відношенню кількості втрачених кадрів (NL) до загальної кількості переданих кадрів (N):
L = NL/N.
Може також використовуватися аналогічна характеристика, що оперує не кількість втрачених і переданих фреймів, а обсягами даних, що містилися в цих кадрах.
Інший підхід полягає в розширеному тлумаченні характеристик QoS, коли характеристики швидкості потоку, такі як середня швидкість, пікова швидкість і пульсація, також відносять до характеристик QoS.
У методах забезпечення якості обслуговування використовуються різні механізми, спрямовані на зниження негативних наслідків перебування пакетів в чергах із збереженням в той же час позитивної ролі черг. Набір механізмів досить широкий. Більшість з них враховує і використовує у своїй роботі факт існування в мережі трафіку різного типу в тому відношенні, що кожен тип трафіку пред'являє різні вимоги до характеристик продуктивності і надійності мережі. Наприклад, трафік перегляду веб-сторінок мало чутливий до затримок пакетів і не вимагає гарантованої пропускної здатності мережі, зате чутливий до втрат пакетів; в той же час як голосовий трафік дуже чутливий до затримок пакетів, вимагає гарантованої пропускної здатності мережі, але може «терпіти» втрату невеликого відсотка пакетів без значного збитку для якості (втім, остання властивість багато в чому залежить від використовуваного методу кодування голосового сигналу).
Досягти одночасного дотримання всіх характеристик QoS для всіх видів трафіку вельми складно. Одним з найбільш значущих чинників, що впливають на характеристики якості обслуговування, є рівень завантаження мережі трафіком, тобто рівень використання пропускної здатності ліній зв'язку мережі.
Якщо цей рівень постійно досить низький, то трафік всіх додатків обслуговуємося з високою якістю більшу частину часу (хоча короткочасні перевантаження мережі, що призводять до затримок і втрат пакетів, все одно можливі, але вони трапляються дуже рідко). Такий стан мережі називається «недовантаженим» або ж використовується термін мережу з надлишковою пропускною здатністю (англомовний термін overprovisioning).
Постійно підтримувати всі частини мережі в недовантажених стані досить дорого і складно, але для найбільш відповідальної частини мережі, такий як магістраль, цей підхід застосовується, і пов'язаний він з постійним спостереженням за рівнем завантаження каналів магістралі і періодичним збільшенням їх пропускної здатності в міру наближення завантаження до критичного рівня.
Методи QoS засновані на іншому підході, а саме тонкому перерозподілі наявної пропускної спроможності між трафіком різного типу відповідно до вимог додатків. Очевидно, що ці методи ускладнюють мережеві пристрої, так як означають необхідність знати вимоги всіх класів трафіку, вміти їх класифікувати і розподіляти пропускну здатність мережі між ними. Остання властивість зазвичай досягається за рахунок використання декількох черг пакетів для кожного вихідного інтерфейсу комунікаційного пристрою замість однієї черги; при цьому в чергах застосовують різні алгоритми обслуговування пакетів, чим і досягається диференційоване обслуговування трафіку різних класів. Тому методи QoS часто асоціюються з технікою управління чергами.
Крім власне техніки організації черг, до методів QoS відносять методи контролю параметрів потоку трафіку, так як для гарантовано якісного обслуговування потрібно бути впевненими, що обслуговуються потоки відповідають певному профілю. Ця група методів QoS отримала назву методів кондиціонування трафіку.
Особливе місце займають методи зворотного зв'язку, які призначені для повідомлення джерела трафіку про перевантаження мережі. Ці методи розраховані на те, що при одержанні повідомлення джерело знизить швидкість видачі пакетів в мережу і тим самим ліквідує причину перевантаження.
Механізми QoS можна застосовувати по-різному. У тому випадку, коли вони застосовуються до окремих вузлів без урахування реальних маршрутів прямування потоків трафіку через мережу1, умови обслуговування трафіку цими вузлами поліпшуються, але гарантій того, що потік буде обслужений із заданим рівнем якості, такий підхід не дає. Гарантії можна забезпечити, якщо застосовувати методи QoS системно, резервуючи ресурси мережі для потоку на всьому протязі його маршруту, іншими словами, «з кінця в кінець».[15]
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 143 | Нарушение авторских прав