Глобальные сети с коммутацией каналов и пакетов. Сети с коммутацией каналов

Коммутация каналов на основе разделения времени

Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифро­вой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплекси­рования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.

Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). Рис. 3.3. пояс­няет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.

Рис. 3.3. Коммутация на основе разделения канала во времени

Аппаратура TDM-сетей - мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры - работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонент­ском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа або­нентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скорос­тью 64 Кбит/с - 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

· прием от каждого канала очередного байта данных;

· составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;

· передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nx64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддер­живает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с.

Демультиплексор выполняет обратную задачу - он разбирает байты уплотнен­ного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мульти­плексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотнен­ный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует под­держиваемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рис. 3.3 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извле­каться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммута­тор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал-выходной слот» в течение всего времени существования этого со­единения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, крат­ной 64 Кбит/с.

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако, в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» сети TDM не имеет ин­дивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования. Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом те­ряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между раз­личными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи (например, або­нент телефонной сети молчит).

Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основ­ным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и посто­янную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов.

Существует аппаратура, которая поддерживает только режим постоянной ком­мутации. К ней относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование SDH. Такое оборудование используется для построения первичных сетей, основной функцией которых является создание выделенных каналов между коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию.

Сегодня практически все данные - голос, изображение, компьютерные данные - передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, теле­визионных и компьютерных.

Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.

1. Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры уста­новления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вы­зываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизи­руется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемо­го выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.

2. Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения явля­ется важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голо­са, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.

3. Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность примене­ния пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с комму­тацией каналов не буферизуют данные пользователей.

Circuit switching and packet - it"s methods for solving the generalized problem of switching data in any network technology. Complex technical solutions of the generalized switching tasks in its entirety consists of the particular problems of data transmission networks.

By the special problems of data networks include:

• define flows and appropriate routes;
• fixation route configuration parameters, and tables of network devices;
• recognition flows and data transfer between one device interface;
• multiplexing / demultiplexing streams;
• separation medium.

Among the many possible approaches to the solution of the generalized problem of subscribers switching networks allocate two basic, which include channel switching and packet switching. Thus there are traditional applications of each switching techniques, for example, telephone networks continue to be built and constructed using circuit switched technology, computer networks and the vast majority are based on packet switching technique.

Therefore, as information flow in circuit-switched networks are the data exchanged between a pair of subscribers. Accordingly, the global flow feature is a pair of addresses (telephone numbers) subscribers communicate with each other. One feature of circuit-switched networks is the concept of an elementary channel.

Elementary channel

Elemental channel (or channel) - is a basic technical characteristics of the circuit switched network, which is fixed within a given type of network throughput value. Every link in the circuit switched network has a capacity of a multiple channel elementary adopted for this type of network.

In traditional telephone systems the value of the elementary channel speed is equal to 64 kbit / s, which is sufficient for high-quality digital voice.

For high-quality voice uses the frequency of sound vibrations amplitude quantization 8000 Hz (sampling time 125 ms intervals). To represent a measure of the amplitude is most often used 8-bit code, which makes 256 tone gradation (by sampling values).

In this case, the transmission of one voice channel is needed bandwidth 64 kbit / s:

8000 x 8 = 64000 bits / s or 64 kbit / s.

Such a voice channel is called an elementary channel digital telephone networks. A feature of the circuit switched network is that the bandwidth of each link must be equal to an integer number of elementary channels.

The composite channel

Communication constructed by switching (connection) of elementary channels, called a composite channel.

Составной канал

The properties of the composite channel:

• composite channel throughout its length is made up of the same number of elementary channels;
• composite channel has a constant and fixed bandwidth throughout its length;
• composite channel is created temporarily for the period of the session two subscribers;
• at the session, all the basic channels that are included in the composite channel, enter the exclusive use of subscribers, for which the composite channel has been created;
• during the communication session in the subscribers can send network data rate not exceeding a channel capacity of the composite;
• data received in a composite channel, the called subscriber is guaranteed to be delivered without delay, losses, and at the same rate (source rate) regardless of whether there is at this time in the other network connection or not;
• after the end of the session the basic channels that were included with the corresponding composite channel, declared free and returned to the pool of resources allocated for use by other users.

Connection refused

Connection refused

Connection requests are not always successful.

If the path between the calling and called subscribers are no free channels or called basic node is busy, the malfunction occurs in the connection setup.

The advantage of circuit switching

Circuit switching technology is aimed at minimizing the accidental events in the network, ie a technology. In order to avoid any possible uncertainty much of the work on information exchange is carried out in advance, even before the start the data transfer. First, for a given address, the availability of the required basic channels all the way from the sender to the recipient. But in the case of bursty, this approach is inefficient, since 80% of the time channel may be idle.

Packet Switching

The most important principle of the networks with a packet switched data submission is transmitted over the network in the form of structurally separated from each other pieces of data called packets. Each packet has a header, which contains the destination address, and other supporting information (length of the data field, a checksum, and others.), Used for the delivery to the addressee of the package.

Having address in each packet is one of the most important features of packet switching technology, since each packet can be processed independently of the other switch packets constituting the network traffic. In addition to the title in the package may have one additional field to be placed at the end of the package and so-called trailer. In the trailer is usually placed checksum, which allows you to check whether the information has been corrupted during transmission over the network or not.

Partitioning the data into packets

Partitioning the data into packets takes place in several stages. Chain sender node generates transmission data, which is divided into equal parts. After that occurs the formation of a package by adding the header overhead. And the last stage is assembled packets into the original message to the destination node.

Partitioning the data into packets

Transferring data over a network as a packet

Packet Transmission Network

As in the circuit switched networks, packet switched networks, for each of the streams is determined manually or automatically route fixed in the stored tables for commutation switches. Packets entering the switch are processed and sent on a particular route

Uncertainty and asynchronous movement of data in packet-switched networks makes special demands on the switches in such networks.

The main difference between a packet switch of the switches in the circuit-switched networks is that they have an internal buffer memory for temporarily storing packets. Switch buffers need to harmonize data rates in communication links connected to its interfaces, as well as to harmonize the rate of arrival packets with their switching speed.

Methods of transfer packages

A switch can operate on the basis of one of three methods promote packages:

• datagram transmission;
• Transfer to the establishment of a logical connection;
• Transfer to the establishment of a virtual channel.

Datagram transmission

Datagram transfer method based on the promotion of packet independent from each other. packet processing procedure is only determined by the values of parameters that it carries, and the current state of the network. And every single packet network is considered as a completely independent unit transfer - datagram.

Illustration datagram packet principle

Transfer to the establishment of a logical connection

Transfer to the establishment of a logical connection

Procedure for harmonization of the two end nodes of a network of some parameters of packet exchange process is called the establishment of a logical connection. Options negotiated by the two interacting nodes, called a logical connection parameters.

Virtual channel

Virtual channel

The only pre-padded fixed route connecting end nodes to the packet-switched network, referred to as a virtual channel (virtual circuit or virtual channel). Virtual channels are laid for sustainable information flow. In order to isolate the data flow of the total traffic flow of each packet is marked with a special kind of sign - label. As with the establishment of a logical network connections, the virtual channel begins with a gasket from the source node a special package - the connection request.

Table switching networks using virtual channels is different from the switching table in datagram networks. It contains entries only passing through the switch virtual channels, and not all the possible destination address, as is the case in networks with datagram algorithm transfer.

Comparison circuit-switched and packet

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 .

Тема 3.3: Прикладные программы для создания Веб-сайтов

Тема 3.4: Применение Интернет в экономике и защита информации

Глобальные сети

3.2. Сетевые технологии. Глобальные сети и технологии глобальных сетей

3.2.1. Глобальные сети с коммутацией каналов и пакетов

Глобальные сети Wide Area Networks (WAN), которые относятся к территориальными компьютерными сетями, предназначены, как и локальные сети для предоставления услуг, но значительно большему количеству пользователей, находящихся на большой территории.

Методы коммутации

В глобальных сетях существует три принципиально различные схемы коммутации:

• коммутация каналов;
• коммутация сообщений
• коммутация пакетов;

Коммутация каналов в глобальных сетях – процесс, который по запросу осуществляет соединение двух или более станций данных и обеспечивает монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока не произойдет разъединение. Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой – коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети.

Коммутация сообщений в глобальных сетях – процесс пересылки данных, включающий прием, хранение, выбор исходного направления и дальнейшую передачу сообщений без нарушения их целостности. Используются в тех случаях, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. Сообщения передаются между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией их на дисках каждого компьютера. Сообщениями называются данные, объединенные смысловым содержанием, имеющие определенную структуру и пригодные для обработки, пересылки или использования.

Источниками сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений – телевидение, текста – телеграф (телетайп), данных – вычислительные сети. Установление соединения между отправителем и получателем с возможностью обмена сообщениями без заметных временных задержек характеризует режим работы online. При существенных задержках с запоминанием информации в промежуточных узлах имеем режим offline.

Коммутация пакетов в глобальных сетях – это коммутация сообщений, представляемых в виде адресуемых пакетов, когда канал передачи данных занят только во время передачи пакета и по ее завершению освобождается для передачи других пакетов. Коммутаторы сети, в роли которых выступают шлюзы и маршрутизаторы, принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге станции назначения.

В глобальных сетях для передачи информации применяются следующие виды коммутации:

• коммутация каналов (используется при передаче аудиоинформации по обычным телефонным линиям связи;
• коммутация сообщений (применяется в основном для передачи электронной почты, в телеконференциях, электронных новостях);
• коммутация пакетов (для передачи данных, в настоящее время используется также для передачи аудио - и видеоинформации).

Достоинством сетей коммутации каналов является простота реализации (образование непрерывного составного физического канала), а недостатком - низкий коэффициент использования каналов, высокая стоимость передачи данных, повышенное время ожидания других пользователей.

При коммутации сообщений передача данных (сообщения) осуществляется после освобождения канала, пока оно не дойдет до адресата.

Каждый сервер производит прием, проверку, сборку, маршрутизацию и передачу сообщения. К достоинствам можно отнести - уменьшение стоимости передачи данных. Недостатком данного способа является низкая скорость передачи информации, невозможность ведения диалога между пользователями.

Пакетная коммутация подразумевает обмен небольшими пакетами (часть сообщения) фиксированной структуры, которые не дают возможности образования очередей в узлах коммутации. Достоинства: быстрое соединение, надежность, эффективность использования сети.

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.