...
- Узел-2 формирует пакет данных передаёт его в Среду-2. Пакет данных инкапсулируется в кадр канального протокола, используемого в Среде-2.
- Кадр данных распространяется в Среде-2. Для этого кадр преобразовывается в модулированный сигнал, соответствующий физическим свойствам среды. Сигналы, используемые в проводных и беспроводных средах, будут отличаться, что повлияет на эффекты их распространения и сценарии использования.
- Сигнал поступает на входной входящий интерфейс устройства, демодулируется, и полученный кадр данных проверяется на целостность: если кадр повреждён, то он отбрасывается.
- Кадр проходит этап маршрутизации, на котором определяется его дальнейший путь следования. Кадр может быть адресован сетевому устройству, в этом случае он передаётся на обработку внутренним процессам. Кадр может быть адресован другому узлу и, в этом случае, возможны два варианта развития событий: кадр должен быть передан далее через выходной исходящий интерфейс, либо отброшен (если Среда-2 является общей средой, то все передаваемые сигналы будут приняты всеми устройствами, подключенными к среде. В соответствии с логикой протоколов канального уровня, если в заголовке кадра в качестве получателя указан адрес, не принадлежащий устройству, то устройство должно его отбросить).
- Если кадр должен быть обработан и передан другому узлу, то кадр поступает в очередь сообщений. Очередь сообщений представляет собой набор буферов, в которые помещаются данные, принятые входящими интерфейсами. Число и объём буферов памяти, в которых хранится очередь сообщений, не стандартизованы и зависит от производителя оборудования. Например, в устройствах семейства InfiLINK 2x2 выделено 32 очереди, 17 из которых доступны пользователю для настройки.
- Кадр данных проходит через очередь сообщений, в которую он был помещен, и поступает в выходной исходящий интерфейс.
- Поскольку очереди сообщений являются связующим звеном между наборами входящих и исходящих интерфейсов, то в устройстве должен быть выделен контроллер, который выполняет заполнение очередей входящими данными и выборку из очередей для передачи исходящим интерфейсам. Как правило, эти функции выполняет центральный процессор (ЦП). Как будет показано далее, заполнение и выборка очередей может выполняться неравномерно и зависеть от классификации потоков данных.
- Исходящий интерфейс формирует модулированный сигнал и передаёт его в Среду-5, к которой подключен Узел-5, являющийся получателем исходного пакета данных.
- Узел-5 принимает сигнал, демодулирует его и обрабатывает полученный кадр данных.
Следует отметить, что в большинстве современных сетевых устройств сетевые интерфейсы являются комбинированными и могут выступать как в роли входящих, так и в роли исходящих.
...
Сетевое устройство может быть промежуточным для нескольких пар узлов, каждая из которых может передавать данные нескольких сервисов (рис. 2а). Рассмотрим схему, в которой сетевое устройство является промежуточным для трафика пар узлов Узел-1 - Узел-4, Узел-2 - Узел-5 и Узел-3 - Узел-6, при этом первая . Первая пара передаёт данные трёх сервисов, вторая - двух, третья - одного. В общем случае, при отсутствии настроек QoS, данные всех сервисов попадают в общую очередь в порядке поступления их на сетевое устройство и в этом же порядке будут из очереди переданы на выходные исходящие интерфейсы.
При настроенном QoS можно классифицировать каждый из входящих потоков трафика, например, по его типу и сопоставить каждому классу свою отдельную очередь (рис. 2б). Каждой из очередей пакетов может быть назначен свой приоритет, который будет учитываться при извлечении пакетов из очередей сообщений, что позволит гарантировать показатели качества. Классификация потоков трафика может быть выполнена не на основании используемых сервисов, а по другим критериям. Например, каждой паре пользователей может быть выделена отдельная очередь сообщений (рис. 2в).
...
| Anchor | ||||
|---|---|---|---|---|
|
Основываясь на предыдущем разделе, можно сформулировать предпосылки для оценки эффективности передачи данныхОсновные выводы предыдущего раздела, которые будет использоваться нами для определения метрик качества:
- Пропускная способность каналов связи и сетевых устройств является конечной.
- Время доставки данных от источника к получателю является ненулевым.
- Канал связи представляет из себя среду с набором физических параметров, которые определяют эффекты при распространении сигнала.
- Программная и аппаратная архитектура сетевого устройства могут оказывать влияние на распространение данных.
...
Подробно рассмотрим метрики на примере: Узел-2 передаёт три пакета данных Узлу-5, источник и получателя данных соединяет промежуточное сетевое устройство, пакеты передаются в рамках одного сервиса, т.е. их ключевые служебные поля совпадают.
Потери
При передачи передаче потока данных, часть из них могут быть не приняты, либо приняты с ошибками. В этом случае можно говорить о потери данных, которые измеряются как отношение принятых данных к переданным. В примере (рис. 3) Узел-2 передаёт пакеты с идентификаторами 1,2 и 3, однако Узел-5 принимает только пакеты 1 и 3, т.е. пакет с идентификатором 2 потерян. Существуют сетевые механизмы, позволяющие выполнить повторную передачу потерянных данных. Например, к таким механизмам можно отнести протоколы TCP и ARQ.
Причины потерь потери данных можно выделить в следующие группы:
- Потери в среде: потери, связанные с распространением сигнала в физической среде. Например, кадр будет потерян, если уровень полезного сигнала ниже чувствительности приёмника. Также , к примерам можно отнести физическое повреждение потери могут быть вызваны физическим повреждением интерфейсов подключения к среде или импульсные наводки, возникающие из-за некачественного заземления.
- Потери в интерфейсе: потери, связанные с обработкой очереди сообщений на входном входящем или выходном исходящем интерфейсе. У каждого из интерфейсов существует буфер памяти, который может быть полностью заполнен при интенсивном потоке данных. В этом случае все последующие данные, поступающие в интерфейс, будут отброшены, т.к. не могут быть помещены в буфер.
- Потери в устройстве: данные, отброшенные в соответствии с логикой конфигурации сетевого устройства. В случае, если очереди сообщений будут переполнены, то входящие данные не смогут быть добавлены в очередь обработки, и сетевое устройство их отбросит. Также, к этим потерям можно отнести пакеты данных, отфильтрованные списками доступа и файрволом.
...
- Время распространения сигнала в среде: время распространения сигнала в среде зависит от физических характеристик среды, но, в любом случае, является ненулевым.
- Время сериализации: преобразование входнымивходящими/выходными исходящими интерфейсами битового потока в сигнал и обратно не является мгновенным и требует аппаратных ресурсов сетевого устройства.
- Время обработки: время, которое пакет данных находится в промежуточном устройстве. Это время зависит от состояния очередей сообщений, т.к. пакет данных будет обработан только после обработки пакетов, ранее помещённых в эту очередь. Также, влияние на это время оказывает загрузка центрального процессора.
...
- Этап 1:
- Узел-1 и Узел-2 формируют пакеты двух сервисов: телефонии и почты. Трафик телефонии, в отличии от данных почтового сервиса, чувствителен к задержка и джиттеру (см. Требования сервисов к метрикам качества), поэтому должен быть обработан промежуточными устройствами в первую очередь.
- Сетевое устройство-1 принимает пакеты Узла-1 и Узла-2.
- Этап 2:
- На Сетевом устройстве-1 настроена приоритизация трафика, которая заключается в том, что устройство классифицирует входящий трафик и помещает пакеты данных в различные очереди сообщений. Весь трафик телефонии будет помещён в очередь 1,а трафик почтового сервиса - в очередь 17. Таким образом, приоритет очереди 1 выше, чем очереди 17.
- Освобождение очередей сообщений и передача данных выходным исходящим интерфейсам осуществляются в соответствии с приоритетами очередей, т.е. сначала будет опустошена очередь 1, а затем - очередь 17.
- Этап 3:
- Сетевое устройство-1 отправляет данные в Среду-7, связанную с Сетевым устройством-2. Последовательность пакетов данных соответствует метрикам качества - в первую очередь в среду переданы данные телефонии, а затем - почтового сервиса.
- Узел-3 подключен к Сетевому устройству-2 и формирует поток данных почтового сервиса.
- Этап 4:
- На Сетевом устройстве-2 отсутствуют настройки приоритизации, поэтому весь входящий трафик будет помещён в очередь сообщений 17. Отправка данных из очередей будет соответствовать последовательности их приёма, т.е. трафик телефонии будет обработан наравне в трафиком почтового сервиса, несмотря на требования к значениям метрик качества.
- Сетевое устройство-2 вносит задержку во время распространения трафика телефонии.
- Этап 5:
- Данные отправляются конечным узлам. Время распространения пакетов телефонии было увеличено за счёт обработки трафика почтового сервиса Узла-3.
...
Одним из решений описанной проблемы для сетевой структуры "черный ящик" является маркировка заголовков пакетов: приоритет, требуемый для обработки пакета, устанавливается в одном из полей заголовка и сохраняется на протяжении всего пути. В этом случае все промежуточные устройства могут помещать входные входящие данные в очередь сообщений в соответствии со значениями полей, где указан приоритет. Это потребует разработки стандартных протоколов и их реализации производителями оборудования.
...
- Этап 1: Узел-1 формирует Ethernet-кадр для Узла-2. Поле для установки приоритета кадра в заголовке отсутствует (рис. 12а).
- Этап 2: Пограничное сетевое устройство-1 меняет заголовок Ethernet, устанавливая в поле приоритета значение 1. На пограничных устройствах должны быть настроены правила для выборки трафика Узла-1 из общего потока, для того, чтобы необходимый приоритет был установлен только этим кадрам. В сетях с большим числом потоков трафика список правил на пограничных устройствах может быть объёмным. Пограничное сетевое устройство-1 обрабатывает кадр в соответствии с установленным приоритетом, помещая его в соответствующую очередь сообщений. Кадр передаётся на выходной исходящий интерфейс и отправляется в сторону Промежуточного сетевого устройства-2 (рис. 12а).
- Этап 3: Промежуточное сетевое устройство-2 принимает Ethernet-кадр, в котором установлен приоритет 1, и помещает его в соответствующую очередь сообщений. Устройство не выполняет манипуляций по установке/удалению приоритета в заголовке кадра. Кадр передаётся в сторону Пограниченого сетевого устройства-3 (рис. 12а).
- Этап 4: Пограничное сетевое устройство-3 обрабатывает входящий кадр аналогично Промежуточному устройству-3 (см. Этап 3) и передаёт его в сторону Сети оператора связи(рис. 12а).
- Этап 4б: в случае, если существует договорённость о том, что трафик будет передан через Сеть оператора связи с приоритетом, отличным от 1, то Пограничное устройство-3 должно выполнить перемаркировку поля приоритета. В рассматриваемом примере, устройства меняет значение приоритета с 1 на 6 (рис. 12б).
- Этап 5: при распространении кадра через Сеть оператора связи устройства руководствуются значением приоритета в заголовке Ethernet (рис. 12а).
- Этап 5б: аналогично Этапу 5 (рис. 12б).
- Этап 5в: при отсутствии договорённости о приоритизации кадров данных в соответствии со значением приоритета, указанным в заголовке Ethernet, сторонний оператор связи может применить к трафику собственную политику QoS и установить приоритет, который может не согласовываться с политикой QoS, принятой в DS-домене (рис. 12в).
- Этап 6: пограничное устройство в Сети оператора связи удаляет поле приоритета из заголовка Ethernet и передаёт его в направлении Узла-2 (рис. 12а-в).
...
Приоритизация сообщений подразумевает под собой использование нескольких очередей сообщений, содержимое которых должны быть передано выходным исходящим интерфейсам через единую шину сообщений. Устройства Инфинет поддерживают две механизма передачи сообщений из очередей в шину: строгая и взвешенная диспетчеризация.
...