1

Principi komutacijske tehnike KOMUTACIJA PAKETA• Telekomunikacijske mreže s komutacijom kanala rukovale su u početku

isključivo govornim prometom.• Ključna karakteristika mreže s komutacijom kanala je da se resurs

dodjeljuje pojedinom pozivu.• Mreže s komutacijom kanal se zatim počinju intenzivno koristiti za

podatkovne konekcije.• U mrežama s komutacijom kanala svakoj konekciji pridijeljena je

konstantna brzina prijenosa a to predstavlja ograničenje kod povezivanja različitih kompjutera i radnih stanica u mrežu.

• Sve nedostatke mreža s komutacijom kanala pokušalo se riješiti novom tehnikom komutacije pod nazivom KOMUTACIJA PAKETA čije osnovne značajke su sljedeće:

Podaci se prenose u kratkim paketima. U početku je gornja granica veličine paketa iznosila 1000 okteta (Byte). To znači da ako je izvor slao poruku koja prelazi tu veličinu da je poruka bila prelomljena u niz paketa.

Svaki takav paket sadrži dio korisničkog sadržaja i dio kontrolnih informacija

Kontrolne informacije uključuju minimalno skup informacija koje su potrebne mreži kako bi bila sposobna usmjeriti paket kroz mrežu i isporučiti ga odredištu kojemu je paket namijenjen.

Paketi mogu biti prenošeni različitim brzinama između čvorova s obzirom na to da čvorovi mogu biti povezani spojnicama

2

(linkovima) različitih brzina.

Kada u mrežama s komutacijom kanala dođe do zagušenja neki pozivi budu blokirani odnosno mreža odbija prihvatiti dodatni zahtjev za konekcijom dok se opterećenje u mreži ne smanji.U mrežama s komutacijom paketa, kada nastupi zagušenje paketi budu prihvaćeni ali zbog čekanja u čvorovima na prijenos povećava se ukupno vrijeme potrebno za isporuku paketa. Kako bi se spriječilo da preveliko vrijeme isporuke paketa degradira kvalitetu usluge, u čvorovima paketskemreže može se implementirati da paketi budu posluživani po prioritetu.

2

Paketi putuju kroz mrežu od čvora do čvora ("u skokovima“) u skladu s normiranom procedurom (protokolom) tako da svaki čvor obavlja određene operativne postupke. Funkcije čvora ovise o njegovom položaju u mreži..

3

U općem slučaju, paketni komutacijski sustav sadrži sljedeće funkcionalnepodsustave:

ulazne i izlazne memorije (input i output buffers)procesni (upravljački) podsustav (processor ili control subsystem)komutacijski podsustav (internal switching unit)ostali funkcionalni entiteti (npr. za korekciju pogrešaka i dr.).

4

U paketnoj mreži svaki paket sadrži dovoljno upravljačkih informacija za prijenos

kroz mrežu.

Paketni mod osigurava učinkovito iskorištenje transmisijskih resursa (fleksibilno ili

dinamičko multipleksiranje), no istodobno proizvodi mnogo veće zahtjeve prema

procesorskom podsustavu i upravljanju prometom.

Na slici na slajdu u opisu rada čvora nisu uključene funkcije čvora kao što su kontrola

toka, klasifikacija prometnih tokova i raspoređivanje kapaciteta odlaznih linija između

različitih tokova.

5

• Dolazne (pristupne) linije ili linkovi spojeni su na ulazne memorije kojeobavljaju privremeno pohranjivanje pristiglih paketa.

• Primljeni (ispravni) paketi prelaze u podsustav za obraduusmjeravanja (rutiranja) gdje se svrstavaju u red za obradu.

• Temeljem analize adresnih i upravljačkih (control) podataka izzaglavlja paketa, oni se razvrstavaju u redove za prijenos putemodlaznih linkova (linija).

6

Uloga čvora u paketskoj mreži je usklađeno obavljanje upravljačkih ili kontrolnih procedura kao što su:

• Kontrola prometnog toka• Upravljanje rutiranjem• Kontrola pogrešaka

Svaki od navedenih zadataka bit će objašnjen u nastavku.

7

Jedna od funkcija čvora paketkse mreže je kontrola prometnog toka. Uloga kontrole prometnog toka je kontrolirati brzinu prijenosa kako bi se preventivno djelovalo da ne dođe do prelijevanja dolaznih međuspremnika (buffers) i do zagušenja. Potreba za kontrolom toka u komunikacijskim mrežama javlja se zbog ograničenih resursa, odnosno kapaciteta kanala i brzine prijemnika. Kada količina ponuđenog prometa postane veća od kapaciteta mreže, nastupa zagušenje. Ovisno o njegovom trajanju razlikujemo:• stalno, • periodičko, • privremeno i • trenutno zagušenje. Ovdje je potrebno objasniti razliku između kontrole toka i kontrole zagušenja s obzirom da njihovi mehanizmi imaju ‘’slične’’ zadatke.

Kontrola toka je mehanizam koji se koristi u mrežama računala za kontrolu toka podataka između pošiljatelja i primatelja. Kontrola toka omogućava metode za primatelja da može kontrolirati brzinu kojom mu pristižu podaci od pošiljatelja, kako primatelj ne bi bio preplavljen podacima koje je poslao pošiljatelj. Mehanizmi koji se koriste u kontroli toka mogu biti kategorizirani ovisno o tome šalje li primatelj povratnu poruku pošiljatelju ili ne.

Kontrola zagušenja omogućava metode kojima će se regulirati ulazni promet u mrežu i time upravlja sama mreža. Kontrola zagušenja sprječava mrežu od situacije u kojoj bi mreža doživjela kolaps. Kontrola zagušenja se uglavnom primjenjuje u mrežama s komutacijom paketa. Cilj kontrole zagušenja je da drži broj paketa u mreži ispod razine koja bi drastično reducirala performance mreže. Kontrola zagušenja je implementirana i u TCP (Transmission Control Protocol) protokol (Slow start i Exponential backoff algoritam). Klasifikacija algoritama za kontrolu zagušenja izvodi se prema količini primljenih povratnih informacija od mreža i performansama koje te metode imaju za cilj poboljšati. Nadalje, metode se mogu klasificirati temeljem kriterija kolika modifikacija je potrebna na postojećoj mreži i kriteriju pravednosti koji koristi algoritam.

Koja je razlika između kontrole toka i kontrole zagušenja?

Premda su kontrola toka i kontrola zagušenja dva mehanizma za kontrolu mrežnog prometa koji se koriste u kompjuterskim mrežama postoje ključne razlike među njima:

Kontrola toka je mehanizam ''od kraja do kraja'' koji kontrolira promet između pošiljatelje i primatelja. Zadatak kontrole toka je upravljati tokom na način da onemogući da brzi pošiljatelj šalje podatke brže nego ih primatelj može apsorbirati.

Kontrola zagušenja je mehanizam koji koristi mreža da bi kontrolirala zagušenje u mreži. Kontrola zagušenja sprječava gubitak paketa i kašnjenje uzrokovano zagušenjem u mreži. To je globalni zadatak koji uključuje ponašanje svih računala, rutera, procesa spremanja i prosljeđivanja u ruterima te svih ostalih parametara koji nastoje smanjiti kapacitet mreže.

Kontrola zagušenja može biti smatrana i kao mehanizam koji donosi odluku može li mreža rukovati s prometnom koji dolazi u mrežu. Dok se kontrola toka odnosi na mehanizme koji se koriste za upravljanje prijenosom između pojedinog pošiljatelja i primatelja.

Kontrola toka može se smatrati samo jednom od metoda kontrole zagušenja, odnosno s njom je usko povezana pa se ova dva pojma često zamjenjuju. Zadatak mehanizama kontrole toka kako je prethodno objašnjeno je brzinu slanja podataka predajnika prilagoditi trenutno dostupnim mrežnim resursima, odnosno držati mrežu u optimalnoj radnoj točki. Optimalna radna točka mreže je kompromis između njene iskorištenosti i kvalitete usluge. Bolja iskorištenost mreže podrazumijeva određeni broj paketa u redovima čekanja na čvorištima mreže, ali preveliki redovi čekanja povećavaju kašnjenje paketa i mogućnost odbacivanja paketa zbog prepunjenosti u slučaju pojave trenutnog zagušenja.

8

DTE- data terminal equipmentOvisno o izboru kriterija algoritmi ili protokoli za kontrolu toka mogu se grupirati kao prozorski i algoritmi brzine prijenosa; algoritmi s implicitnom i eksplicitnom dojavom zagušenja; hop-by-hop i algoritmi s kraja na kraj; algoritmi predajnika, prijemnika i čvorišta, itd. Što se tiče prijedlog taksonomije kontrole zagušenja u paketnim mrežama on je dan u [C.Q. Yang, A.V.S. Reddy, "A taxonomy for congestion control algorithms in packetswitching networks", Network, IEEE, vol. 9, no. 4, July-Aug. 1995, pp. 34 - 45 ] a i danas se koristi kao referenca. Klasifikacija u navedenom radu se temelji na teoriji upravljanja (vođenja). Mreža se gleda kao distribuirani sustav upravljanja, a način na koji algoritam kontrole zagušenja izdvaja informacije na temelju kojih donosi upravljačke odluke (kontrola sa i bez povratne veze) je temelj klasifikacije. Navedeni algoritmi kontrole zagušenja u spomenutom radu su u suštini algoritmi kontrole toka.

Kada je riječ o dinamičkim metodama kontrole toka onda se spominju metode koje se temelje na prigušenju (throttling) odnosno prijamni DTE upravlja intenzitetom prijenosa paketa tako što šalje posebni tzv. choke packet kojim se prigušuje odašiljanje paketa na A-strani.Pored navednih metoda poznate su i metode kontrole toka koje se temelje naodbacivanju (reject) ili dopuštanju (permission) prijama podatkovnih jedinica (paketa) od strane odredišnog DTE. Principi odbacivanja i dopuštanja mogu biti prošireni na više podatkovnih jedinica čiji broj može biti konstantan (dogovoren prije) ili varijabilan (kada se njegova vrijednost utvrđuje kod svakog dopuštanja prijenosa).

9

10

11

12

13

14

Proces rutitanja se može se može razložiti na dva potprocesa:• Rutiranje (routing) je proces određivanja puta ili putova koji su upotrebljivi

da bi paket/okvir došao od izvorišta do odredišta. Informacije o putovima nalaze su u tablicama rutiranja u kojima se zahtijevanom odredištu pridružuje jedno ili više izlaznih sučelja. Tablice rutiranja mogu biti kreirane ručno (tzv. statički) ili korištenjem protokola rutiranja (odnosno dinamički). Rutiranje je proces uspostavljanja tablice rutiranja (mrežne topologije) pomoću protokola rutiranja, algoritama i metrike rutiranja. Informacije o topologiji rutiranja se tada pretvaraju u tablice prosljeđivanja koje služe u procesu prosljeđivanja (forwarding). Da bi se izgradila tablica rutiranja može biti korišten jedan ili više protokola rutiranja. Ovaj proces se naziva još i upravljanje usmjeravanjem.

• Proces ispitivanja adresnih informacija u novopristiglom paketu/okviru i slanje (ili prosljeđivanje) tog paketa/okvira na put koji je određen procesom rutiranja naziva se procesom prosljeđivanja. Prosljeđivanje se izvodi na način da se u tablici prosljeđivanja pronađe informacija na koje izlazno sučelje usmjeriti paket a odluka se donosi na temelju adresnih informacija. Proces prosljeđivanja naziva se još i rutiranje paketa.

Funkcije Huba, Switcha i Routera[https://www.youtube.com/watch?v=Ofjsh_E4HFY]

Upravljanje rutiranjem ima za cilj optimizirati performanse u danim ograničenjima, pri čemu su funkcije cilja (kriteriji) najčešće :• vrijeme prijenosa paketa• čekanje• pouzdanost ili dr.

15

Za promet koji je prihvaćen u mrežu prosječno kašnjenje po paketu će ovisiti o rutama koje je odabrao algoritam rutiranja. Međutim, propusnost će također biti u velikoj mjeri pod utjecajem (iako samo indirektno) algoritma rutiranja, jer sheme kontrole toka tipično rade po principu održavanja balansa između propusnosti i kašnjenja. (tj. one počinju odbacivati ponuđeni promet kada kašnjenje počinje prekomjerno rasti). Algoritmi rutiranja su uspješniji u održavanju malog kašnjenja, dok algoritmi kontrole toka omogućavaju više prometa u mreži. Precizan balans između kašnjenja i propusnosti određuje se pomoću kontrole toka, no efekti dobrog rutiranja u uvjetima visokog opterećenja mreže mogu se shvatiti iz krivulja koje pokazuju odnos kašnjenja i propusnosti.

16

http://web.mit.edu/dimitrib/www/Routing_Data_Nets.pdf

17

Zahtjev za automatskim ponovnim slanjem (Automatic repeat request –ARQ iliautomatic repeat-query) je metoda za provjeru greške (error-control) kodprijenosa podataka koja koristi potvrđivanje prijema i vremenska ograničenja (nakon isteka vremena traži se ponovni prijenos) da bi postigla pouzdanost prijenosa podataka preko nepouzdane usluge prijenosa.

• Potvrđivanje prijama sastoji se od slanja poruke od strane primatelja prema pošiljatelju da naznači da nije primio ispravan okvir s paketima ili jedan paket.

• Vremensko ograničenje je odgovarajući vremenski interval nakon čijeg isteka pošiljatelj šalje ponovno okvir/paketa u slučaju da nije primio potvrdu prije isteka vremena. Ponovno slanje okvira/paketa se ponavlja sve dok pošiljatelj ne primi potvrdu o ispravno pristiglom okviru/paketu ili dok se ne dosegne prethodno definirani broj ponovnih slanja paketa (retransmisija). Tipovi ARQ protokola uključuju:

•Stop -and – wait ARQ•Go-Back-NARQ•Selective Repeat ARQ

Ti protokoli nalaze se na 2. ili 4. sloju OSI modelaŠto se tiče Stop-and-wait ARQ-a, to je najjednostavnija vrsta ARQ metode. Kod te metode pošiljatelj šalje jedan po jedan okvir. Nakon slanja svakog okvira, ne šalje sljedeći sve dok ne dobije potvrdu o tome da je okvir primljen na odredišnoj strani, tzv. ACK (acknowledgement) signal. Nakon primanja ispravnog okviraprimatelj šalje ACK, a ako taj ACK ne dođe na stranu pošiljatelja u predviđenom roku, poznatom pod nazivom vremensko ograničenje (timeout), pošiljatelj šalje isti okvir ponovno.

18

19

20

21

22

23

24

Internet Header Length=Duljina zaglavlja IP paketa.

25

26

Mrežni uređaj čija je uloga usmjeravanja paketa u mreži naziva se usmjernik/usmejrivač/ruter (engl. router) je aktivni mrežni uređaj koji radi na mrežnoj razini OSI referentnog modela. Osnovne funkcije usmjernika su:• Prosljeđivanje paketa iz jedne u drugu mrežu (engl. forwarding)• Određivanje najboljih puteva paketa kroz mrežu (engl. routing).Kad usmjernik na jednom od svojih sučelja primi paket, na temelju odredišne IP adrese upisane u zaglavlje paketa i tablice usmjeravanja donosi odluku na koje će sučelje proslijediti paket. Paralelno s procesom prosljeđivanja paketa svaki usmjernik izračunava najbolje puteve paketa kroz mrežu pomoću algoritama usmjeravanja, odnosno koristeći usmjerivačke protokole[http://www.diffen.com/difference/Router_vs_Switch]

27

Usmjeravanje

Cilj usmjeravanja (engl. routing) prometa u mreži je osigurati dostupnost resursa tokupodataka od izvorišta do odredišta i pri tome optimalno iskoristiti mrežu te osigurati zadovoljavajuću kvalitetu usluge. Tu funkciju ostvaruju usmjernici (engl. router). Usmjernici za usmjeravanje koriste usmjerivačke protokole. Usmjerivački protokoli omogućuju mreži dinamičko prilagođavanje uvjetima. Odluke o usmjeravanju ne moraju biti unaprijed određene i nepromjenjive.Postoje dvije osnovne vrste usmjerivačkih protokola, a dijele se prema načinu izračunavanja optimalnog puta na:• Protokole koji se temelje na vektoru udaljenosti (engl. distance-vector)• Protokole koji se temelje stanju veze (engl. link-state)Protokoli koji se temelje na vektoru udaljenosti određuju najbolji put na osnovu informacije koliko je udaljeno odredište paketa. Udaljenost može biti broj usmjernika do odredišta, a može biti i kombinacija nekih vrijednosti koje će definirati tu udaljenost. Susjednim usmjernicima se šalje cijela tablica usmjeravanja. Ovi protokoli su jednostavni i učinkoviti u malim mrežama te su laki za konfiguriranje. Najpoznatiji protokol vektora udaljenosti je RIP (Routing Information Protocol). Za velike mreže protokoli koji se temelje na vektoru udaljenosti imaju loša konvergencijska svojstva pa su zato razvijeni usmjerivački protokoli s boljim svojstvima, a to su protokoli koji se temelje stanju veze .Protokoli koji se temelje stanju veze rade na način da svaki usmjernik zna topologiju mreže i ne šalje se cijela tablica usmjeravanja, nego se svim usmjernicima u mreži šalje samo informacija o stanju veze u obliku malih LSA (Link State Advertisement) paketa. Na osnovu dobivenih informacija usmjernici ponovo izračunaju puteve. Ova metoda je pouzdanija, troši manje pojasne širine mreže i jednostavnije je otkloniti nastalu pogrešku, nego u slučaju protokola koji se temelje na vektoru udaljenosti. Negativne strane ovakvog pristupa su što se koristi kompleksniji algoritam što znači veće opterećenje procesora usmjernika i veća potrošnja memorije. Protokol OSPF je predstavnik ove vrste protokola.

Usmjerivački protokoli se također dijele na:• Unutarnje• Vanjske

Unutarnji se koriste za usmjeravanje prometa unutar autonomnog sustava, a vanjski se koriste za usmjeravanje prometa između autonomnih sustava. Autonomni sustav (AS) se najčešće poklapa s administrativnim granicama mreže.Primjeri unutarnjih usmjerivačkih protokola su već spomenuti RIP i OSPF. Primjer vanjskog protokola usmjeravanja je BGP.

28

29

Kod konekcijski-orijentiranog prijenosa uspostavlja se virtualni kanalizmeđu proizvoljnih točaka u mreži, što dijelom sliči uspostavljanjutelefonskog komutiranog kanala. Paketi putuju mrežom koristeći isti put(virtualni kanal) koji se uspostavlja na zahtjev korisnika (pozivom SVC)ili na dulje vrijeme kao PVC.Temeljno svojstvo CONS načina prijenosa je korištenje jednog puta (rute)kroz mrežu i sekvencijalno pristizanje paketa redoslijedom otpremanja.

30

• Kod uspostavljanja veze šalje se prvi pozivni paket s kompletnomadresom. Adresne informacije u obliku broja logičkog kanala LCN(Logical Channel Number) pohranjuju se i svakom čvorištu na putu doodredišta. Na taj način uspostavljena je virtualna konekcija izmeđuizvorišta i odredišta.

• U drugoj fazi, odnosno transmisiji (prenošenju) podataka šalju se paketi skorisničkim sadržajem (pay load) koji imaju samo LCN (tj. nemajukompletnu adresu). Svaki čvor obavlja rutiranje tako da očita LCN itemeljem toga ga dalje usmjerava.

• U trećoj fazi šalje se paket raskidanja konekcije koji briše adresneinformacije privremeno pohranjene u čvorovima i tako raskida virtualnukonekciju.

31

32

33

Paketi koji pripadaju istoj izvorišnoj poruci ne moraju stići na odredišni čvor onim redoslijedom kojim su odaslani niti se jamči pouzdan prijenos (bez pogrešaka). Odredišni komutacijski čvor mora imati i funkcionalnosti pohranjivanja sa premještanjem (reorder) i otkrivanjem pogrešaka.

34

Animacija dostupna na: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f6/Packet_Switching.gif

35

36