Сети с коммутацией каналов. Глобальные сети - три этапа развития, методы коммутации каналов

Страница 29 из 29 Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов

Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и се­годня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания высокоскоростных магистральных каналов связи. Первые сеансы связи между компью­терами были осуществлены через телефонную сеть, то есть также с применением техники коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети.

В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов (Термин «абонент» принят в телефонии для обозначения конечного узла. Так как все мы - много¬летние пользователи телефонной сети, то далее мы будем сопровождать наше объяснение принципа работы сетей с коммутацией каналов примерами из области телефонии.) .Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Для всех возможных потоков заранее определяются марш­руты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администра­тором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На осно­вании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако, как уже было сказано, в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности.

Элементарный канал

Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

Элементарный канал (или просто канал) – это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное а пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети c коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

Говоря о сетях с коммутацией каналов, мы придаем термину «канал» значение единицы пропускной способности.

Значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной способности для передачи ожидаемой предложенной нагрузки. Например, в традиционных телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала сегодня является скорость 64 Кбит/с - это минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса.

Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы - передачи анало­говой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис).

Амплитудаисходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счет этого про­исходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям - непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретиза­ция по значениям). В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с: 8000 х 8 = 64 000 бит/с или 64 Кбит/с. Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей .

Линии связи в сетях с коммутацией пакетов (как, впрочем, и в остальных типах компьютер­ных сетей) имеют разную пропускную способность , одни - большую, другие - меньшую. Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут возникнуть в разных фрагментах сети - чем ближе к центру сети, тем выше пропускная способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого количества периферийных линий связи.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов .

Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2,24 или 30 элементарных каналов, а линии, соединяющие коммутаторы, - 480 или 1920 каналов.

Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис.

Предположим, что эта сеть характеризуется элементарным каналом Р бит/с. В сети существуют линии связи разной пропускной способности, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. На рисунке по­казаны два абонента, A и B генерирующие во время сеанса связи (телефонного разговора) информационный поток , для которого в сети был предусмотрен маршрут , проходящий через четыре коммутатора S1, S2, S3 и S4. Предположим также, что интенсивность инфор­мационного потока между абонентами не превосходит 2Р бит/с. Тогда для обмена данны­ми этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных от пункта A к пункту В. На рисунке эти элементарные каналы, необходимые абонентам A и В , обозначены толстыми линиями.

Составной канал

Связь, построенную путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называют состав­ным каналом .

В рассматриваемом примере для соединения абонентов A и В был создан составной канал «толщиной» в два элементарных канала. Если изменить наше предположение и считать, что предложенная нагрузка гарантированно не превысит Р бит/с, то абонентам будет достаточно иметь в своем распоряжении составной канал, «толщиной» в один элементарный канал. В то же время абоненты, интенсивно обменивающиеся данными, могут предъявить и более высокие требования к пропускной способности составного канала. Для этого они должны в каждой линии связи зарезервировать за собой большее (но непременно одина­ковое для всех линий связи) количество элементарных каналов.

Подчеркнем следующие свойства составного канала:

составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элемен­тарных каналов;

составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;

составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;

на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступа­ют в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;

в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;

данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зави­симости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;

после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи (обычная ситуация для телефонной сети, в которой одновременно передаются разговоры сотен и тысяч абонентов). Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов. Например (см. рис. выше), мы можем предположить, что после того как в линии связи S2-S3 было выделено два канала для связи абонентов A и В, оставшиеся три эле­ментарных канала были распределены между тремя другими сеансами связи, проходив­шимив это же время и через эту же линию связи. Такое мультиплексирование позволяет одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений.

Мультиплексирование означает , что абоненты вынуждены конкурировать за ресурсы, в данном случае за элементарные каналы. Возможны ситуации, когда некоторая проме­жуточная линия связи уже исчерпала свободные элементарные каналы, тогда новый сеанс связи, маршрут которого пролегает через данную линию связи, не может состояться.

Для того чтобы распознать такие ситуации, обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором сеанса связи (например, абонент А в нашей сети), посылает в коммутационную сеть запрос, представляющий собой сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента, например абонента В (В телефонной сети посылке запроса соответствует набор телефонного номера).

Цель запроса - проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. А для этого требуется соблюдение двух условий: наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от А к B, и незанятость вызываемого абонента в другом соединении.

Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной пары абонентов. При этом используются глобальные таблицы коммутации, ставящие в со­ответствие глобальному признаку потока (адресу вызываемого абонента) идентификатор выходного интерфейса коммутатора (как уже упоминалось, такие таблицы часто называют также таблицами маршрутизации).

Если в результате прохождения запроса от абонента А к абоненту В выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, происходит фиксация составного канала. Для этого во всех коммутаторах вдоль пути от A до B создаются записи в локальных таблицах коммутации , в которых указывается соответствие между локальными признаками пото­ка - номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи. Только после этого составной канал считается установленным, и абоненты A и B могут начать свой сеанс связи.

Таким образом, продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа:

В сеть поступает служебное сообщение - запрос, который несет адрес вызываемого абонента и организует создание составного канала.

По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для пере­дачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков - номеров элементарных каналов.

Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно. Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения. Например, если во время сеанса связи абонентов A и В абонент С пошлет запрос в сеть на установ­ление соединения с абонентом D , то он получит отказ, потому что оба необходимых ему элементарных канала, составляющих линию связи коммутаторов S3 и S4, уже выделены соединению абонентов A и В (рис.).

При отказе в установлении соединения сеть инфор­мирует вызывающего абонента специальным сообщением (Телефонная сеть в этом случае передает короткие гудки - сигнал «занято». Некоторые телефонные сети различают события «сеть занята» и «абонент занят», передавая гудки с разной частотой или используя разные тона ). Чем больше нагрузка на сеть, то есть чем больше соединений она в данный момент поддерживает, тем больше вероятность отказа в удовлетворении запроса на установление нового соединения.

Мы описали процедуру установления соединения в автоматическом динамическом режиме , основанном на способности абонентов отправлять в сеть служебные сообще­ния - запросы на установление соединения и способности узлов сети обрабатывать такие сообщения. Подобный режим используется телефонными сетями: телефонный аппарат генерирует запрос, посылая в сеть импульсы (или тоновые сигналы), кодирующие номер вызываемого абонента, а сеть либо устанавливает соединение, либо сообщает об отказе сигналами «занято».

Однако это - не единственно возможный режим работы сети с коммутацией каналов, существует и другой статический ручной режим установления соединения. Этот режим характерен для случаев, когда необходимо установить составной канал не на время одного сеанса связи абонентов, а на более долгий срок. Создание такого долговременного канала не могут инициировать абоненты, он создается администратором сети. Очевидно, что статический ручной режим мало пригоден для традиционной телефонной сети с ее короткими сеансами связи, однако он вполне оправдан для создания высокоскоростных телекоммуникационных каналов между городами и странами на более-менее постоянной основе.

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных coбытий в сети, то есть это технология, стремящаяся к детерминизму. Во избежание всяких возможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется заранее, еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Затем эти каналы за­крепляются на все время сеанса для исключительного использования двумя абонентами и коммутируются в один непрерывный «трубопровод» (составной канал), имеющий «шлюзовые задвижки» на стороне каждого из абонентов. После этой исчерпывающей подготовительной работы остается сделать самое малое: «открыть шлюзы» и позволить информационному потоку свободно и без помех «перетекать» между заданными точками сети (рис.).

Неэффективность при передаче пульсирующего трафика

Сети с коммутацией каналов наиболее эффективно передают пользовательский трафик в том случае, когда скорость его постоянна в течение всего сеанса связи и максимально соответствует фиксированной пропускной способности физических линий связи сети Эффективность работы сети снижается, когда информационные потоки, генерируемые абонентами, приобретают пульсирующий характер.

Так, разговаривая по телефону, люди постоянно меняют темп речи, перемежая быстрые высказывания паузами. В результате соответствующие «голосовые» информационные по­токи становятся неравномерными, а значит, снижается эффективность передачи данных. Правда, в случае телефонных разговоров это снижение оказывается вполне приемлем и позволяет широко использовать сети с коммутацией каналов для передачи голосового трафика.

Гораздо сильнее снижает эффективность сети с коммутацией каналов передача так называемого компьютерного трафика , то есть трафика, генерируемого приложениями, с которыми работает пользователь компьютера. Этот трафик практически всегда является пульсирующим. Например, когда вы загружаете из Интернета очередную страницу, скорость трафика резко возрастает, а после окончания загрузки падает практически до нуля. Если для описанного сеанса доступа в Интернет вы задействуете сеть с коммутацией канал то большую часть времени составной канал между вашим компьютером и веб-сервером будет простаивать. В то же время часть производительности сети окажется закреплен за вами и останется недоступной другим пользователям сети. Сеть в такие периоды похожа на пустой эскалатор метро, который движется, но полезную работу не выполняет, другими словами, «перевозит воздух».

Для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика была специально разработана техника коммутации пакетов.

Коммутация пакетов

Сети с коммутацией пакетов, так же как и сети с коммутацией каналов, состоят из комму­таторов, связанных физическими линиями связи. Однако передача данных в этих сетях происходит совершенно по-другому. Образно говоря, по сравнению с сетью с коммута­цией каналов сеть с коммутацией пакетов ведет себя менее «ответственно». Например, она может принять данные для передачи, не заботясь о резервировании линий связи на пути следования этих данных и не гарантируя требуемую пропускную способность. Сеть с коммутацией пакетов не создает заранее для своих абонентов отдельных, выделенных исключительно для них каналов связи. Данные могут задерживаться и даже теряться по пути следования. Как же при таком хаосе и неопределенности сеть с коммутацией пакетов выполняет свои функции по передаче данных?

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами (Наряду с термином «пакет» используются также термины «кадр», «фрейм», «ячейка» и др. В данном контексте различия в значении этих терминов несущественны. В некоторых технологиях коммутации пакетов (например, в технологии виртуальных каналов) полная независимость обработки пакетов не обеспечивается ).

Каждый пакет снабжен заголовком (рис.), в котором содержится адрес назначения и другая вспомогательная информация (длина поля данных, контрольная сумма и др.), используемая для доставки пакета адресату. Наличие адреса в каждом пакете является одним из важнейших особенностей техники коммутации пакетов, так как каждый пакет может быть обработан коммутатором независимо от других пакетов, составляющих сетевой трафик. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, раз­мещаемое в конце пакета и поэтому называемое концевиком. В концевике обычно поме­щается контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

В зависимости от конкретной реализации технологии коммутации пакетов пакеты могут иметь фиксированную или переменную длину, кроме того, может меняться состав инфор­мации, размещенной в заголовках пакетов. Например, в технологии ATM пакеты (назы­ваемые там ячейками) имеют фиксированную длину, а в технологии Ethernet установлены лишь минимально и максимально возможные размеры пакетов (кадров).

Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и не с фикси­рованной заранее заданной скоростью , как это делается в сетях с коммутацией каналов, а в том темпе, в котором их генерирует источник. Предполагается, что сеть с коммутацией пакетов, в отличие от сети с коммутацией каналов, всегда готова принять пакет от конеч­ного узла.

Как и в сетях с коммутацией каналов, в сетях с коммутацией пакетов для каждого из по­токов вручную или автоматически определяется маршрут, фиксируемый в хранящихся на коммутаторах таблицах коммутации. Пакеты, попадая на коммутатор, обрабатываются и направляются по тому или иному маршруту на основании информации, содержащейся вих заголовках, а также в таблице коммутации (рис.).

.

ПРИМЕЧАНИЕ

Процедура резервирования пропускной способности может применяться и в пакетных сетях. Однако основная идея такого резервирования принципиально отличается от идеи резервирования про­пускной способности в сетях с коммутацией каналов. Разница заключается в том, что пропускная способность канала сети с коммутацией пакетов может динамически перераспределяться между информационными потоками в зависимости от текущих потребностей каждого потока, чего не мо­жет обеспечить техника коммутации каналов.

Пакеты, принадлежащие как одному и тому же, так и разным информационным потокам, при перемещении по сети могут «перемешиваться» между собой, образовывать очереди и «тормозить» друг друга. На пути пакетов могут встретиться линии связи, имеющие раз­ную пропускную способность. В зависимости от времени суток может сильно меняться и степень загруженности линий связи. В таких условиях не исключены ситуации, когда пакеты, принадлежащими одному и тому же потоку, могут перемещаться по сети с разны­ми скоростями и даже прийти к месту назначения не в том порядке, в котором они были отправлены.

Разделение данных на пакеты позволяет передавать неравномерный компьютерный трафик более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов. Это объясняется тем, что пульса­ции трафика от отдельных компьютеров носят случайный характер и распределяются во времени так, что их пики чаще всего не совпадают. Поэтому когда линия связи передает трафик большого количества конечных узлов, то в суммарном потоке пульсации сглажи­ваются, и пропускная способность линии используется более рационально, без длительных простоев. Это эффект иллюстрируется рис. ниже, на котором показаны неравномерные по­токи пакетов, поступающие от конечных узлов 3,4 и 10 в сети, изображенной на рис. выше.

Предположим, что эти потоки передаются в направлении коммутатора 8, а следовательно, накладываются друг на друга при прохождении линии связи между коммутаторами 5 и 8. Получающийся в результате суммарный поток является более равномерным, чем каждый из образующих его отдельных потоков.

Буферизация пакетов

Неопределенность и асинхронность перемещения данных в сетях с коммутацией пакетов предъявляет особые требования к работе коммутаторов в таких сетях.

Главное отличие пакетных коммутаторов (Для простоты будем далее называть коммутаторы сетей с коммутацией пакетов «пакетными коммутаторами» ) от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов,

Действительно, пакетный коммутатор не может принять решения о продвижении пакета, не имея в своей памяти всего пакета. Коммутатор проверяет контрольную сумму, и только если она говорит о том, что данные пакета не искажены, начинает обрабатывать пакет и по адресу назначения определяет следующий коммутатор. Поэтому каждый пакет последова­тельно бит за битом помещается во входной буфер. Имея в виду это свойство, говорят, что сети с коммутацией пакетов используют технику сохранения с продвижением (store-and- forward). Заметим, что для этой цели достаточно иметь буфер размером в один пакет.

Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи подключенных к его интерфейсам. Действительно, если скорость поступления пакетов из одной линии связи в течение некоторого периода превышает пропускную способность той линии связи, в которую эти пакеты должны быть направлены, то во избежание потерь пакетов на целевом интерфейсе необходимо организовать выходную очередь (рис.).

Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации. Если коммутирующий блок не успевает обрабатывать пакеты (анализировать заголовки и перебрасывать пакеты на нужный ин­терфейс), то на интерфейсах коммутатора возникают входные очереди. Очевидно, что для хранения входной очереди объем буфера должен превышать размер одного пакета. Существуют различные подходы к построению коммутирующего блока. Традиционный способ основан на одном центральном процессоре, который обслуживает все входные очереди коммутатора. Такой способ построения может приводить к большим очередям, так как производительность процессора разделяется между несколькими очередями. Со­временные способы построения коммутирующего блока основаны на многопроцессорном подходе, когда каждый интерфейс имеет свой встроенный процессор для обработки пакетов Кроме того, существует центральный процессор, координирующий работу интерфейсных процессоров. Использование интерфейсных процессоров повышает производительность коммутатора и уменьшает очереди во входных интерфейсах. Однако такие очереди все равно могут возникать, так как центральный процессор по-прежнему остается «узким местом".

Поскольку объем буферов в коммутаторах ограничен, иногда происходит потеря пакетов из-за переполнения буферов при временной перегрузке части сети, когда совпадают периоды пульсации нескольких информационных потоков. Для сетей с коммутацией пакетов потеря пакетов является обычным явлением, и для компенсации таких потерь в данной сетевой технологии предусмотрен ряд специальных механизмов, которые мы рассмотрим позже.

Пакетный коммутатор может работать на основании одного из трех методов продвижения пакетов:

дейтаграммная передача;

передача с установлением логического соединения;

передача с установлением виртуального канала.

Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты продвигаются (передаются от одного узла сети другому) независимо друг от друга на основании одних и тех же правил, процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе и текущим состоянием сети (например, в зависимости от ее нагрузки пакет может стоять в очереди на обслуживание большее или меньшее время). Однако никакая информация об уже вырезанных пакетах сетью не хранится и в ходе обработки очередного пакета во внимание не принимается. То есть каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи - дейтаграмма .

Классификация сетей.

По территориальной распространенности

PAN (Personal Area Network) - персональная сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу.

LAN (Local Area Network) - локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку - около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.

CAN (Campus Area Network - кампусная сеть) - объединяет локальные сети близко расположенных зданий.

MAN (Metropolitan Area Network) - городские сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей.

WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN - сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

По типу функционального взаимодействия

Клиент-сервер,Смешанная сеть,Одноранговая сеть,Многоранговые сети

По типу сетевой топологии

Шина, Кольцо, Двойное кольцо, Звезда, Ячеистая, Решётка, Дерево, Fat Tree

По типу среды передачи

Проводные (телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель)

Беспроводные (передачей информации по радиоволнам в определенном частотном диапазоне)

По функциональному назначению

Сети хранения данных, Серверные фермы, Сети управления процессом, Сети SOHO, домовые сети

По скорости передач

низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с), высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

По необходимости поддержания постоянного соединения

Пакетная сеть, например Фидонет и UUCP, Онлайновая сеть, например Интернет и GSM

Сети с коммутацией каналов

Одним из важнейших вопросов в компьютерных сетях является вопрос о коммутации. В понятие коммутация входит:

1. механизм распределения маршрута при передаче данных

2. синхронное использование канала связи

Об одном из способов решения задачи коммутации мы и поговорим, а именно о сетях с коммутацией каналов. Но нужно заметить, что это не единственный способ решения стоящей задачи в компьютерных сетях. Но перейдем ближе к сути вопроса. Сети с коммутацией каналов образуют между конечными узлами общий и неразрывный физический участок (канал) связи, через который проходят данных с одинаковой скоростью. Надо заметить, что одинаковая скорость достигается из-за отсутствия "остановки" на отдельных участках, так как маршрут заранее известен.

Установка связи в сетях с коммутацией каналов всегда начинается первой, ведь нельзя проложить маршрут к нужной цели, не подключившись. А после установки соединения можно смело передавать нужные данные. Давайте взглянем на преимущества сетей с коммутацией каналов:

1. скорость при передаче данных всегда одна и таже

2. нет задержки на узлах при передачи данных, что важно при различных On-line событиях (конференции, общение, видео-трансляции)

Ну а теперь и о недостатках надо сказать пару слов:

1. не всегда можно установить соединение, т.е. иной раз сеть может быть занята

2. мы не может сразу передавать данные без предварительной установки связи, т.е. теряется время

3. не очень эффективное использование физических каналов связи

Про последний минус поясню: при создании физического канала связи мы полностью занимаем все линию, не оставляя возможности другим подключиться к ней.

В свою очередь сети с коммутацией каналов разделяются на 2 типа, использующих разных технологических подход:

1. коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования (FDM)

Схема работы такова:

1. на входы коммутатора каждый пользователь передает сигнал

2. все сигналы с с помощью коммутатора заполняют полосы ΔF методом частотной модуляции сигнала

2. коммутация каналов на основе временного мультиплексирования (TDM)

Принцип коммутации каналов на основе временно мультиплексирования достаточно просто. Он основан на временном разделении, т.е. поочередно происходит обслуживание каждого из каналов связи, причем отрезок времени, для отправки сигнала абоненту, строго определен.

3.Коммутация пакетов
Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 3). Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 3). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 4 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа - он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

· время на передачу заголовков;

· задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

· время буферизации пакета;

· время коммутации, которое складывается из:

o времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

o времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства коммутации пакетов

1. Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

2. Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов

1. Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

2. Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

3. Возможные потери данных из-за переполнения буферов.
В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

4.VPN (англ. Virtual Private Network - виртуальная частная сеть ) - обобщённое название технологий, позволяющих обеспечить одно или несколько сетевых соединений (логическую сеть) поверх другой сети (например, Интернет). Несмотря на то, что коммуникации осуществляются по сетям с меньшим неизвестным уровнем доверия (например, по публичным сетям), уровень доверия к построенной логической сети не зависит от уровня доверия к базовым сетям благодаря использованию средств криптографии (шифрования, аутентификации, инфраструктуры открытых ключей, средств для защиты от повторов и изменений передаваемых по логической сети сообщений).

В зависимости от применяемых протоколов и назначения, VPN может обеспечивать соединения трёх видов: узел-узел ,узел-сеть и сеть-сеть . Обычно VPN развёртывают на уровнях не выше сетевого, так как применение криптографии на этих уровнях позволяет использовать в неизменном виде транспортные протоколы (такие какTCP, UDP).

Пользователи Microsoft Windows обозначают термином VPN одну из реализаций виртуальной сети - PPTP, причём используемую зачастую не для создания частных сетей.

Чаще всего для создания виртуальной сети используется инкапсуляция протокола PPP в какой-нибудь другой протокол - IP (такой способ использует реализация PPTP - Point-to-Point Tunneling Protocol) или Ethernet (PPPoE) (хотя и они имеют различия). Технология VPN в последнее время используется не только для создания собственно частных сетей, но и некоторымипровайдерами «последней мили» на постсоветском пространстве для предоставления выхода в Интернет.

При должном уровне реализации и использовании специального программного обеспечения сеть VPN может обеспечить высокий уровень шифрования передаваемой информации. При правильной настройке всех компонентов технология VPN обеспечивает анонимность в Сети.

VPN состоит из двух частей: «внутренняя» (подконтрольная) сеть, которых может быть несколько, и «внешняя» сеть, по которой проходит инкапсулированное соединение (обычно используется Интернет). Возможно также подключение к виртуальной сети отдельного компьютера. Подключение удалённого пользователя к VPN производится посредством сервера доступа, который подключён как к внутренней, так и к внешней (общедоступной) сети. При подключении удалённого пользователя (либо при установке соединения с другой защищённой сетью) сервер доступа требует прохождения процесса идентификации, а затем процесса аутентификации. После успешного прохождения обоих процессов, удалённый пользователь (удаленная сеть) наделяется полномочиями для работы в сети, то есть происходит процесс авторизации. Классифицировать VPN решения можно по нескольким основным параметрам:

[править]По степени защищенности используемой среды

Защищённые

Наиболее распространённый вариант виртуальных частных сетей. С его помощью возможно создать надежную и защищенную сеть на основе ненадёжной сети, как правило, Интернета. Примером защищённых VPN являются: IPSec, OpenVPN и PPTP.

Доверительные

Используются в случаях, когда передающую среду можно считать надёжной и необходимо решить лишь задачу создания виртуальной подсети в рамках большей сети. Проблемы безопасности становятся неактуальными. Примерами подобных VPN решений являются: Multi-protocol label switching (MPLS) и L2TP (Layer 2 Tunnelling Protocol) (точнее сказать, что эти протоколы перекладывают задачу обеспечения безопасности на другие, например L2TP, как правило, используется в паре с IPSec).

[править]По способу реализации

В виде специального программно-аппаратного обеспечения

Реализация VPN сети осуществляется при помощи специального комплекса программно-аппаратных средств. Такая реализация обеспечивает высокую производительность и, как правило, высокую степень защищённости.

В виде программного решения

Используют персональный компьютер со специальным программным обеспечением, обеспечивающим функциональность VPN.

Интегрированное решение

Функциональность VPN обеспечивает комплекс, решающий также задачи фильтрации сетевого трафика, организации сетевого экрана и обеспечения качества обслуживания.

[править]По назначению

Используют для объединения в единую защищённую сеть нескольких распределённых филиалов одной организации, обменивающихся данными по открытым каналам связи.

Remote Access VPN

Используют для создания защищённого канала между сегментом корпоративной сети (центральным офисом или филиалом) и одиночным пользователем, который, работая дома, подключается к корпоративным ресурсам с домашнего компьютера, корпоративного ноутбука, смартфона или интернет-киоскa.

Используют для сетей, к которым подключаются «внешние» пользователи (например, заказчики или клиенты). Уровень доверия к ним намного ниже, чем к сотрудникам компании, поэтому требуется обеспечение специальных «рубежей» защиты, предотвращающих или ограничивающих доступ последних к особо ценной, конфиденциальной информации.

Используется для предоставления доступа к интернету провайдерами, обычно в случае если по одному физическому каналу подключаются несколько пользователей.

Client/Server VPN

Он обеспечивает защиту передаваемых данных между двумя узлами (не сетями) корпоративной сети. Особенность данного варианта в том, что VPN строится между узлами, находящимися, как правило, в одном сегменте сети, например, между рабочей станцией и сервером. Такая необходимость очень часто возникает в тех случаях, когда в одной физической сети необходимо создать несколько логических сетей. Например, когда надо разделить трафик между финансовым департаментом и отделом кадров, обращающихся к серверам, находящимся в одном физическом сегменте. Этот вариант похож на технологию VLAN, но вместо разделения трафика, используется его шифрование.

[править]По типу протокола

Существуют реализации виртуальных частных сетей под TCP/IP, IPX и AppleTalk. Но на сегодняшний день наблюдается тенденция к всеобщему переходу на протокол TCP/IP, и абсолютное большинство VPN решений поддерживает именно его. Адресация в нём чаще всего выбирается в соответствии со стандартом RFC5735, из диапазона Приватных сетей TCP/IP

[править]По уровню сетевого протокола

По уровню сетевого протокола на основе сопоставления с уровнями эталонной сетевой модели ISO/OSI.

5. Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 1) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

· горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах

· вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

Похожая информация.

Способы коммутации . Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

• коммутация каналов - осуществляется соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;
• коммутация сообщений - характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;
• коммутация пакетов - сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Коммутация каналов . Коммутация каналов может быть пространственной и временной.

Пространственный коммутатор размера N*M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов - к вертикальным (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Матрица пространственного коммутатора

В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N < M, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N.

Недостаток рассмотренной схемы - большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N2. Для устранения этого недостатка применяют многоступенные коммутаторы. Например, схема трехступенного коммутатора 6*6 имеет вид, представленный на рис. 3.3.

Достаточным условием отсутствия блокировок входов является равенство k > 2*n-1. Здесь k - число блоков в промежуточном каскаде, n = N/p; p - число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.3 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется выполнить соединение a1-d1, но ранее скоммутированы соединения a2-b2-c4-d3, a3-b3-c1-d2, то для a1 доступны шины b1,с3 и с5, однако они не ведут к d1.

В многоступенных коммутаторах существенно уменьшено число переключательных элементов за счет некоторого увеличения задержки. Так, при замене одноступенного коммутатора 1000*1000 трехступенным с n = 22 и k = 43 число переключателей уменьшается с 10 6 до 2*46*22*43+43*46*46, т.е. примерно до 0,186*10 6 .

Рисунок 3.3 – Схема трехступенного пространственного коммутатора

Временной коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись-чтение". В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация.

Коммутация пакетов .Во многих случаях наиболее эффективной оказывается коммутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях коммутации пакетов различают два режима работы: режим виртуальных каналов (другое название - связь с установлением соединения) и дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому маршруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так называемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM - Time Division Method), или задерживаться в промежуточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения - положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осуществляться старт-стопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит подтверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи "в окне" . Окно может включать N пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протяжении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером K, то нужна повторная передача и она начинается с пакета K.

Например, в сетях можно использовать переменный размер окна. Так, в соответствии с рекомендацией документа RFC-793 время ожидания подтверждений вычисляется по формуле
T ож = 2*Tср,
где Tср:= 0,9*Tср + 0,1*Ti, Tср - усредненное значение времени прохода пакета до получателя и обратно, Ti - результат очередного измерения этого времени.

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграммы. Дейтаграмма - часть информации, передаваемая независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказывается полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.

Соединение с коммутацией каналов -- вид телекоммуникационной сети, в которой между двумя узлами сети должно быть установлено соединение (канал), прежде чем они начнут обмен информацией. Это соединение на протяжении всего сеанса обмена информацией может использоваться только указанными двумя узлами. После завершения обмена соединение должно быть соответствующим образом разорвано.

Типичным примером являются ранние телефонные сети. Абонент должен попросить оператора соединить его с другим абонентом, подключённым к тому же коммутатору или иному коммутатору через линию связи (и другому оператору). В любом случае, конечным результатом было физическое электрическое соединение между телефонными аппаратами абонентов в течение всего разговора. Проводник, задействованный для подключения, не мог быть использован для передачи других разговоров в это время, даже если абоненты на самом деле не разговаривали и на линии была тишина.

Позже стало возможным уплотнение одной физической линии для образования в ней нескольких каналов. Несмотря на это, один канал уплотнённой линии также мог использоваться лишь одной парой абонентов.

Преимущества:

· высокая стабильность параметров канала во времени;

· отсутствие необходимости в передаче служебной информации после установления соединения;

· коммутация каналов может использоваться как в аналоговых, так и в цифровых сетях связи, в отличие от коммутации пакетами, которая возможна только в цифровых сетях.

Коммутация каналов считается недостаточно эффективным способом коммутации, потому что канальная ёмкость частично расходуется на поддержание соединений, которые установлены, но (в настоящее время) не используются.

Коммутация пакетов (англ. packet switching) -- разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения -- логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о датаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов -- дейтаграммным режимом.

Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщений позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

Меньшее время доставки сообщения в сети;

Более эффективное использование буферной памяти в узлах;

Более эффективная организация надёжной передачи данных; оо среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

Задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений. Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно. Уменьшение времени доставки сообщений при коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи.

Выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 6): когда пакет П1 находится в канале KC4, пакет П2 передаётся по каналу KC3, пакет П3 - по каналу KC2 и пакет П4 - по каналу KC1, что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Рисунок 6 - Коммутация пакетов

Более эффективная организация надежной передачи данных, по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.

Достоинства коммутации пакетов:

· эффективность использования пропускной способности;

· меньшие затраты.

Недостатки коммутации пакетов:

· занимают линии связи;

· уменьшение ее пропускной способности;

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов, в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, увеличивая равномерность нагрузки.

Передача данных между двумя удаленными оконечными сетевыми устройствами обычно осуществляется через промежуточные сетевые узлы - узлы коммутации. В качестве оконечного устройства могут выступать рабочая станция, хост-компьютер, терминал, телефон или другое коммуникационное устройство. Соответственно, разные функции могут иметь связанные между собой физическими каналами узлы коммутации. Совокупность оконечных устройств и узлов коммутации образуют сеть передачи данных, рис. 21, а.

Спект различных технологий коммутации для передачи данных по сети приведен на рис. 21, б.

Два крайних случая представляют две основные традиционные технологии коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов .

Соединение с коммутацией каналов состоит в том, что на время передачи в сети создается канал, обеспечивающий определенную, фиксированную скорость передачи данных в системе прием - передача (пример - телефонные сети, традиционные аналоговые и цифровые сети ISDN). Особенностью этих сетей - длительное время установления соединения (в аналоговых сетях до нескольких секунд и более).

Особенностью работы сетевых устройств локальной сети является их очень быстрое взаимодействие с сетью (десятки миллисекунд и меньше). Технологии передачи данных, характерные для локальных сетей, преимущественно используют контролируемую со стороны рабочих станцией пакетную коммутацию.

Коммутация каналов

При использовании коммутации каналов подразумевается наличие выделенного коммуникационного канала между взаимодействующими устройствами. Этот путь образуется последовательностью определенных узлов сети.

Связь посредством коммутации каналов включает три фазы, объяснение которых проведем с использованием рис. 21 а.

• 1. Установление канала. Для простоты будем рассматривать передачу данных в одном направлении. Пусть устройство А хочет передавать данные на устройство Е. Прежде чем данные начнут передаваться, должен установиться канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов. Например, станция А посылает запрос узлу 4 с требованием установить соединение со станцией Е. Поскольку сегмент А-4 - выделенная линия, то часть канала уже существует, Узел 4 должен определить, следующий узел в маршруте, ведущий к узлу 6. Основываясь на информации о маршрутах и анализируя стоимости каналов, узел 4 выбирает канал, например к узлу 5, выделяя в этом канале (используя мультиплексирование TDM или FDM) соответствующую полосу. После этого выделенный канал установлен от устройства А через узел 4 до узла 5. Поскольку несколько станций может быть подключено к узлу 4, он должен быть способен устанавливать внутренние пути от множества станций к множеству узлов. Теперь узел 5 по аналогии с узлом 4 устанавливает канал к узлу 6 и внутренне привязывает этот канал к каналу, идущему от узла Далее узел 6 завершает соединение с устройством Е. По завершении соединения проводится тестирование, определяющее, свободно ли устройство Е, готово ли оно принимать данные.
• 2. Передача данных. Если устройство Е свободно, данные могут передаваться через сеть. Данные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с хостом) или аналоговыми (например, передача голоса). Сигнализация и передача могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. В любом случае, путь образуется через: сегмент А-4, внутреннюю коммутацию на узле 4, сегмент 4-5, внутреннюю коммутацию на узле 5, сегмент 5-6, внутреннюю коммутацию на узле 6 и сегмент 6-Е. В общем, происходит установление и обратного канала, так что соединение является полнодуплексным, и данные могут передаваться в обоих направлениях.
• 3. Отсоединение канала. После определенного времени передачи данных соединение терминируется, обычно после соответствующей команды от одной из станций. Сигналы разъединения должны пройти по узлам 4, 5, 6 чтобы высвободить ресурсы в сеть.

Подчеркнем, что путь соединения устанавливается до начала передачи данных. Таким образом, соответствующая емкость, требуемая для данного канала передачи, должна быть в наличие и резервируется между парами узлов на всем пути еще на этапе установления канала. Для этого каждый узел должен иметь внутреннюю коммутационную емкость, чтобы обеспечить соединение.

Коммутация каналов может быть довольно неэффективной, поскольку емкость установившегося канала выделяется на время соединений оконечных устройств и не доступна под другие приложения, даже если данные не передаются. Для телефонных сетей эффективность голосового канала далека от 100%. Еще хуже обстоит дело при подключении удаленного терминала к хосту, когда данные могут вовсе не идти в течение долгого времени, и канал будет простаивать. С точки зрения производительности, задержка вносится на этапе установления соединения. Однако, если соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам, и данные идут с минимальными задержками.

Коммутация пакетов

Протяженные ВОСС с коммутацией каналов при разработке оптимизировались для достижения наилучших характеристик при передаче голоса, и подавляющая доля потока данных в этих сетях связывалась именно с голосовой передачей. Ключевая характеристика таких сетей в том, что ресурсы внутри сети выделяются под определенные телефонные вызовы. Для голосового соединения это не плохо, поскольку один из абонентов обычно говорит, и канал не простаивает. Можно сказать, что дуплексный канал при телефонной связи используется на 50%. Полоса пропускания для канала также оптимизирована и установлена как раз такой, чтобы можно было обеспечить приемлемое качество передачи речи. Однако при использовании таких телекоммуникационных сетей для передачи данных между компьютерами, появляются два очевидных недостатка.

• 1. При типовом соединении (например, терминал-хост) значительную часть времени канал связи может быть свободен. Но телекоммуникационная сеть выделяет вполне определенную полосу пропускания под этот канал и не может использовать его для другого приложения. Таким образом, подход с коммутацией каналов не эффективен.
• 2. В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает передачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении разнообразных хостов и терминалов.

Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки. Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакетами (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета в зависимости от стандарта может быть от тысячи до нескольких тысяч байт.

Если устройство - источник передачи желает передать данные размером больше максимальной длины пакета, то данные разделяются на несколько пакетов, рис. 22.

Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные поля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как минимум, включает информацию, необходимую узлу, сети для перенаправления (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация пакетов на узле.

На рис. 23 показаны основные операции. Рабочая станция или другое сетевое устройство посылает сообщение (например, файл данных) в виде последовательности пакетов (а). Каждый пакет наряду с данными содержит управляющую и/или контрольную информацию, в частности, адрес станции назначения, или идентификатор маршрута. Пакет первоначально посылается на узел, к которому подключена передающая станция. Узел, получая пакет, определяет по контрольной информации направление маршрута и на основание этого перенаправляет пакет в выходной порт соответствующего канала. Если связь между узлами по этому каналу исправна, пакет передается на соседний узел. Все пакеты последовательно "отрабатывают" свои пути, двигаясь через сеть к нужной станции назначения. Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ над коммутацией каналов.

• 1. Эффективность, использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один сегмент от узла к узлу может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами oт разных приложений. Если на передающем узле пакетов, предназначенных для отправки по определенному каналу, собирается больше, чем емкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очередность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией канала время, предназначенное для каждого приложения, выделяется в виде определенного тайм-слота на основе синхронного временного мультиплексирования. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого тайм-слота, а не всей полосой канала.
• 2. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Так способны обмениваться между собою пакетами станции, подключенные к соответствующим узлам сети каналами разной полосы пропускания.
• 3. Когда поток через сеть с коммутацией каналов возрастает, сеть может оказаться перегруженной, и в установлении каналов связи между новыми станциями может быть отказано. При перегруженности телефонной сети попытка дозвона может быть блокирована. В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с доставкой пакетов, или может уменьшаться скорость передачи.

В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передать несколько пакетов, то он может, в первую очередь, передать пакеты, имеющие наивысший приоритет. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом.

Пусть одна станция хочет послать сообщение другой в виде файла, размер которого превосходит максимальный размер пакета. Станция распределяет содержимое файла между несколькими пакетами и последовательно направляет пакеты в сеть. И здесь возникает вопрос, каким образом сеть должна обрабатывать эту последовательность пакетов, чтобы доставить их нужному адресату. В современных сетях с коммутацией пакетов используются два различных подхода, получившие название: дейтаграммные сети и сети с виртуальными каналами.

В дейтаграммной сети каждый пакет передается без ссылки на пакеты, которые идут до или после него, рис. 23.

Каждый узел на основании контрольной информации заголовка пакета и собственных данных об окружающих узлах сети выбирает следующий узел, на который перенаправляется пакет. Пакеты с одним и тем же адресом назначения могут следовать от станции отправителя к станции назначения разными маршрутами. Конечный узел маршрута восстанавливает правильную последовательность пакетов и уже в этой последовательности передает их станции назначения. В некоторых дейтаграммных сетях может отсутствовать функция упорядочения пакетов на выходном узле - тогда эту функцию берет на себя станция назначения. Пакет может повредиться при передаче по сети.

Например, если один из узлов в сети вышел из строя, то все пакеты, находящиеся на этом узле в очереди на передачу, будут потеряны. Опять же, функцию обнаружения потерянных пакетов может брать на себя как конечный узел маршрута, так и станция-получатель. В такой сети каждый пакет передается независимо от остальных и называется дейтаграммой.

В сети с виртуальными каналами перед тем, как пакеты начинают идти, создается определенный маршрут следования. Этот маршрут служит для поддержки логического соединения между удаленными станциями. Если маршрут установлен, то все пакеты между взаимодействующими станциями будут идти строго по этому маршруту, рис. 2 Поскольку на время логического соединения маршрут строго фиксирован, то такое логическое соединение в некоторой степени аналогично образованию канала в сетях с коммутацией каналов и называется виртуальным каналом. Каждый пакет теперь содержит идентификатор виртуального канала наряду с полем данных. Все узлы по маршруту знают, куда направлять такие пакеты- никакого решения по маршрутизации теперь эти узлы не принимают.

В любое время каждая станция может установить один или несколько виртуальных каналов с другой станцией или станциями. Заметим, что виртуальный канал не является выделенным каналом, что было характерно для сетей с коммутацией, каналов. Пакеты, двигаясь по виртуальному каналу, могут в случае перегруженности узла или сегмента помещаться в входные и выходные буферы на узлах. Главное различие с дейтаграммным подходом и классической маршрутизацией состоит в том, что в сетях с виртуальными каналами узел не принимает решения о выборе маршрута для каждого входящего пакета, а делает это (вернее, получает инструкции куда перенаправлять пакеты с соответствующими идентификаторами маршрута) только один раз - на этапе формирования виртуального канала.

Преимущества сети с виртуальными каналами. Если две станции желают обмениваться данными на протяжении длительного времени, то подход с использованием виртуальных каналов имеет определенные преимущества. Первое, сеть может поддерживать ряд служб, связанных с виртуальными каналами, включая порядок следования, контроль ошибок и контроль потока. Правильный порядок следования легко поддерживается, поскольку все пакеты двигаются одним и тем же маршрутом и прибывают в первоначально установленной последовательности. Служба контроля ошибок гарантирует не только то, что пакеты прибывают в нужной последовательности, но и то, что все пакеты на приемной стороне корректны. Например, если один из пакетов в последовательности, двигаясь от узла 4 к узлу 6 (рис. 5.14) потерялся или пришел на узел 6 с ошибкой, то узел 6 может послать запрос на узел 4 с просьбой повторить соответствующий пакет последовательности. Служба контроля потока гарантирует, что отправитель не может "завалить" получателя данными. Например, если станция Е буферизует данные от станции А и видит, что приемный буфер близок к переполнению, то она может просигнализировать через обратный виртуальный канал о необходимости уменьшить или временно прекратить передачу данных от станции А. Второе преимущество этой сети состоит в том, что пакеты передаются через узел быстрее, когда узел не принимает решения о маршрутизации пакета.

Преимущества дейтаграммной сети. Первое - при передаче пакетов в дейтаграммной сети отсутствует фаза установления логического виртуального канала. Второе - дейтаграммная служба более примитивна и допускает большую гибкость. Например, если один из узлов в сети с использованием виртуальных каналов становится перегруженным, то "открытые" виртуальные каналы, проходящие через этот узел, невозможно перестроить. В дейтаграммной сети при перегрузке одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного узла. Третье - доставка самой дейтаграммы более надежна. При использовании виртуальных каналов, если узел повреждается, все проходящие через него виртуальные каналы также разрушаются.

Коммутация каналов на разных скоростях и сети ISDN

Один из недостатков сетей с коммутацией каналов - это отсутствие гибкости в отношении предоставляемой полосы пропускания.

Если станция подключена к традиционной телекоммуникационной сети с коммутацией каналов, она вынуждена работать на определенной скорости передачи данных. Это скорость (или полоса пропускания) будет предоставлена станции независимо от вида приложения. В результате приложение с низкой скоростью будет не эффективно использовать предоставленный канал, а приложение, которому требуется высокая скорость передачи данных, наоборот, будет ограничено в выделенной емкости канала.

Для достижения гибкости используется расширенная служба предоставления канала, известная как коммутация каналов на разных скоростях. Эта техника объединяет коммутацию каналов с мультиплексированием. Станция подключается к сети при помощи единственного канала связи. По этому каналу могут передаваться данные на разных предварительно установленных скоростях с определенной дискретизацией. Поток по каждому каналу может коммутироваться независимо через сеть в различных направлениях.

Для этой техники можно построить схему, при которой все возможные каналы работают на одной и той же фиксированной скорости, или схему, которая использует различные скорости передачи данных. Примером служит сеть ISDN (Integrated Services Digital Network - Цифровая сеть с интегрированным обслуживанием). ISDN обеспечивает коммутируемую систему связи с комплексом услуг по передаче как данных, так и голоса. Определены два интерфейса доступа к ISDN: интерфейс базового доступа (BRI - Basic Rate Interfase) и интерфейс основного доступа (PRI - Primary Rate Interfase). BRI (144 Кбит/с) обеспечивает два речевых канала типа В со скоростью передачи 64 Кбит/с и один сигнальный канал типа D со скоростью передачи 16 Кбит/с (2B + D). PRI позволяет работать с каналами Т1 (1,544 Мбит/с) и Е1 (2,048 Мбит/с) которые разделены на 23 и 30 каналов типа В соответственно, и, кроме этого, имеют один сигнальный D-канал полосой 64 Кбит/с (23B + D или 30B + D). Выделенная линия может использовать как отдельный В-канал, так и их комбинацию для достижения большей полосы пропускания. Как установление, так и разъединение связи между абонентами осуществляется цифровым образом через сигнальный канал D и происходит почти мгновенно.

Почему пользователи (абоненты) могут предпочесть ISDN альтернативным решениям: модемам, выделенным линиям и другим службам глобальных сетей? Во первых, если сравнивать с работой модемов на аналоговых линиях, то ISDN дает с учетом компрессии передаваемых данных выигрыш от 8 до 26 раз в пропускной способности. Во вторых, цифровая коммутация с технологической точки зрения более надежна, чем аналоговая. Цифровая коммутация также позволяет защищать данные, используя разнообразные алгоритмы шифрования. При значительно большей гибкости по сравнению с простой аналоговой коммутацией каналов в технологии ISDN сохраняется фундаментальное ограничение. Хотя пользователь имеет возможность выбора скорости передачи, сам набор скоростей остается вполне определенный, что не позволяет в конечном итоге эффективно использовать ресурсы сети. Цифровые сети ISDN широко распространены сегодня, как альтернатива традиционным аналоговым абонентским сетям. Лидерами в распространении сервиса ISDN являются США, Япония и ряд европейских стран - Франция, Германия, Бельгия, Дания, Португалия, Великобритания.

Протокол X.25

Низкое качество каналов связи, которые были три десятилетия назад, сильная их подверженность воздействию помех и, как следствие, низкая достоверность передачи данных стали причиной разработки помехоустойчивых процедур передачи информации. Одним из наиболее широко распространенных и популярных протоколов, позволяющих решать проблемы плохих телефонных каналов связи, становится протокол Х.25. Этот протокол задумывается как эффективное средство удаленного доступа к хост-машинам. На основе коммутаторов Х.25 несколько пользователей одновременно могут общаться с одним хостом, причем каждый пользователь загружает канал связи с хост-машиной только на время передачи информации, при этом оставаясь на связи и в другие моменты времени. Поддержка связи обеспечивается благодаря установлению логического соединения или виртуального канала.

Протокол передачи данных с коммутаций пакетов Х.25 разработан комитетом МККТТ (сегодня ITU-T) именно для работы по линиям связи с большим уровнем помех, каковыми, например, являются аналоговые телефонные линии. Для обеспечения требуемой достоверности передачи информации используется многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок.

Каждый узел коммутации сети Х.25 на пути движения пакета проверяет целостность пакета, читает контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке и вычисленную при передаче, находит ее значение для полученного пакета и сравнивает эти два значения. При небольшом количестве ошибок узел способен восстановить пакет и передать его дальше по пути следования. При этом узел посылает подтверждение предыдущему узлу о корректном приеме пакета. Если же восстановить пакет невозможно, делается запрос на его повторную передачу. По аналогичной схеме работают все сетевые узлы - коммутаторы Х.25.

Высокий уровень помех на линии приводит к падению скорости передачи, и по этой причине многие сети с пакетной коммутацией работают со скоростью передачи до 64 Кбит/с. Кроме того, скорость передачи информации (не следует ее путать со скоростью передачи данных непосредственно в физическом канале) не остается постоянной, а зависит от уровня помех и вызванных ими ошибок. Другими словами, время доставки одного пакета, обусловленное только качеством канала, не является постоянной величиной.

Ретрансляция кадров Frame Relay

Методы пакетной коммутации были разработаны в то время, когда в протяженных цифровых сетях при передаче данных появлялось большое количество ошибок. Как следствие, пакеты были перенасыщены заголовками и содержали большую избыточную информацию, позволяющую восстанавливать ошибки в пакетах. Восстановление пакетов и ликвидация ошибок входило в функции не только конечных станций, но и всех узлов сети, например, использование протокола Х.25.

В современных скоростных телекоммуникационных сетях, применяющих ВОЛС для передачи данных, уровень ошибок резко снизился и большая избыточность кодировки поля пакета становится ненужной (отнимает сетевые ресурсы).

Протокол Frame Relay разработан для использования на линиях связи с низким уровнем помех, поэтому в протоколе Frame Relay нет той избыточности, которая была характерна для Х.25. В Frame Relay устранена система контроля ошибок всего кадра. Вместо этого сетевой коммутатор проверяет целостность полученного кадра и только для адресного поля осуществляет контроль ошибок. Если хотя бы один из этих тестов не проходит, коммутатором посылается запрос на повторную передачу кадра.

Если первоначальные сети с коммутацией каналов предоставляли конечному пользователю скорость около 64 Кбит/с, то сети Frame Relay позволили подключаться пользователям в глобальную телекоммуникационную сеть со скоростью 2 Мбит/с. Главным достоинством, технологии Frame Relay стала низкая избыточность информации в пакете, увеличивающая производительность передачи данных в сети.

Первоначально предназначенные для объединения ВОЛС Frame Relay сегодня охватывают широкий диапазон потоков данных, включая SNA, X.25 и ряд других. В то же время, Frame Relay получил ограниченное применение в территориальных сетях. Одна из причин кроется в том, что в стандарте заложена возможность передачи протяженных кадров, причем разной длины (передаваемые кадры могут иметь переменную длину до 1500 бит). Другая причина в том, что битовая скорость для потока данных от конкретного передающего устройства может быть непостоянной от узла к узлу в сети Frame Relay из-за статистического мультиплексирования пакетов разной длины. Таким образом, возможны задержки в следовании пакетов и вариации этих задержек. Хотя эти свойства весьма удобны для передачи данных (сообщений, команд, файлов и так далее), они плохо согласуются с передачей голоса и видеоизображения. Последние требуют передачи регулярных потоков, скорость же передачи информации от узла к узлу в сети Frame Relay не постоянна, и поэтому при передаче голоса или видеоизображения их качество может ухудшаться при большой загруженности сети.

Интерфейс Frame Relay, безусловно, останется пользовательским интерфейсом, но при подключении к глобальной сети он, очевидно, будет преобразовываться в более универсальный протокол ATM.

Ретрансляция ячеек Cell Relay

Ретрансляция ячеек, более известная как ATM (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи), представляет собой последнее достижение в области пакетной коммутации и коммутации каналов на протяжение последних 25 лет и является эволюцией технологии ретрансляции кадров. Главным отличием между ними является то, что Frame Relay использует пакеты переменной длины, a Cell Relay использует пакеты фиксированной длины, которые называются ячейками, и предоставляют ограниченный до минимума заголовок для выполнения контроля. Используя фиксированную длину пакетов в ячейке ATM, удалось еще сильнее сократить заголовок по сравнению с заголовком пакета. Если Frame Relay обычно предоставляет скорость канала подключения для конечного пользователя к сети до 2 Мбит/с, то ATM позволяет подключать конечных пользователей на скорости от десятков до сотен Мбит/с.