6.4 Анализ буферной памяти узла коммутаци

6.4.1 Процесс буферизации в узле коммутации и схемы организации буферной памяти

Современные узлы коммутации сообщений (пакетов) на базе ЭВМ используют для приема, передачи и обработки сообщений ограниченную буферную память. Структура памяти, в которой скапливаются сообщения от многочисленных одновременно работающих каналов связи, в значительной мере определяет пропускную способность узла.

Функционирование УК определяет многоэтапный процесс буферизации сообщений (пакетов). Входящее в узел сообщение записывается в буферную память со скоростью канала передачи данных. Затем обрабатывается процессором узла, выполняющим требуемое обслуживание сообщения и определяющим направление выдачи и передается по каналу в выходящем из УК направлении. Копия принятого в УК сообщения хранится в буферной памяти до получения квитанции АСК (логического подтверждения) о безошибочной доставке сообщения адресату или промежуточному узлу.

Отсутствие АСК в течение определенного интервала времени (time-out) вынуждает повторить передачу сообщения по выходящему каналу в направлении адресата. Это обеспечивает логическую защиту от ошибок в передаче и возможной потери сообщения из-за отсутствия свободных буферов в принимающем УК. При отсутствии места в буферной памяти входящее в УК сообщение получает отказ. Тогда сообщение направляется по другому маршруту или запрос периодически повторяется.

Этапы передачи по каналам связи УК входящих и выходящих сообщений характеризуются особенностями линейных протоколов, определяющих, по существу, эффективную скорость передачи по каналам. Особенности этапов квитирования и time-out определяются сетевыми протоколами межузловых связей и сквозного взаимодействия источник-адресат. Методы доставки пакетов (датаграммы, виртуальные соединения и т. д.) существенно влияют на время хранения копии сообщения (пакета) в буферной памяти УК-отправителя.

Таким образом, поступившее в УК сообщение занимает буферную память в течение следующих интервалов времени:

1) ввод УК - запись со скоростью канала связи;

2) ожидание в очереди на обработку в процессоре;

3) обработка в процессоре;

4) ожидание освобождения канала в направлении выхода из УК;

5) передача из УК по выходному каналу связи;

6) ожидание квитанции об удачной доставке с возможным повторением п. 5. по истечении интервала time-out.

Сообщение (пакет) освобождает занимаемую им память после выполнения всей последовательности операций. Конкретный набор этапов зависит от реализации УК и его функций, а также от используемых сетевых технологий. Описанный многоэтапный процесс адекватно отражает известные процедуры коммутации сообщений (пакетов) для различных структур буферной памяти узла.

В узле коммутации с большим числом каналов связи буферная память разбивается на участки (буфера) для параллельного обслуживания нескольких сообщений (пакетов). Способы разбиения разнообразны и зависят от метода организации памяти. Различают статические и динамические методы. В первом случае за каждым каналом жестко закрепляется один или несколько буферов, в каждый из которых можно записать сообщение максимальной длины.

Этот метод отличает неэффективное использование буферной памяти. При более рациональных динамических методах буферная память является общим для всех каналов ресурсом. Поиск свободного буфера при этом осуществляется лишь в момент появления запроса на него. Каждый буфер может быть выделен для любого канала. Размер буфера может определяться сообщением максимальной длины или быть меньше его. В последнем случае для приема сообщения выделяется цепочка буферов и память при большом разбросе длин сообщений используется эффективнее.

Опишем более подробно схему организации памяти с буферами на максимальную длину сообщений. В простейшем случае такая память организуется из идентичных равнодоступных буферов. Эта схема широко применяется в узлах коммутации пакетов и сообщений. При этом многоэтапный процесс буферизации может быть формализован в виде однородной сети МО. Выделение на входе узла классов сообщений с заранее известной длиной позволяет организовать память секциями буферов (секция на класс). Объем идентичных буферов секции определяется максимальной длиной сообщений соответствующего класса. Такая структура памяти по сравнению с простейшей позволяет экономить необходимую буферную память.

Аппаратура передачи данных зачастую не формирует сведений о длине передаваемых сообщений. В этом случае экономия памяти секционной структуры может достигаться за счет перепеси принятых в общедоступный пул сообщений в секции меньших размеров. Объем памяти секционной структуры может быть определен с помощью моделей сетей МО с несколькими классами сообщений.

Рассмотрим, наконец, схему организации динамической памяти с цепочкой буферов. Различают два вида такой памяти: цепочки буферов, резервируемые в момент поступления сообщения известной длины, и цепочки, формируемые по мере заполнения сообщением очередного буфера.

В первом случае сведения о длине передаются в начале сообщения. В момент прихода в узел оно может получить отказ в приеме при отсутствии соответствующего количества буферов. Поведение УК при этом описывается сетью МО с несколькими классами сообщений, где класс сообщения определяется количеством требуемых буферов.

Схема организации памяти второго типа не требует сведений о длине сообщений. Память при этом используется эффективно, однако возможны отказы в приеме из-за отсутствия свободных дополнительных буферов в процессе приема сообщения.

Функционирование УК в этом случае описывается сетью МО с классами сообщений, также определяемыми количеством требуемых сообщений буферов, но с более сложным взаимодействием между классами.

Отметим, что анализ описанных схем организации буферной памяти УК с учетом многоэтапности процесса буферизации приводит к необходимости расчета сетей МО с одним или несколькими классами сообщений, что определяет обобщенный подход к исследованию вопросов буферизации в узлах компьютерных сетей.