Коммутируемый канал связи. Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов: принципы работы и сравнение

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.

В общем случае решение каждой из частных задач коммутации - определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи - тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

Коммутация каналов (circuit switching);

Коммутация пакетов (packet switching).

Общая структура сети с коммутацией абонентов(рисунок)

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. По долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Коммутация каналов

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рисунке, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным, и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными.

Достоинства коммутации каналов

1. Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости. 2. Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) - голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов

1. Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала - например, если абонент способен поддерживать только одно соединение. 2. Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности ограничивает сеть с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом. 3. Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

• технология частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);
• технология мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

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.

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 (рисунок). 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 (рисунок). 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 повышать пропускную способность сети.

Для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи. В таком случае время взаимодействия абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои во время пауз не значительны для абонентов. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах.

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 рисунке 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.

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:

1.времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

2.времени перемещения пакета в выходной порт.

Сеть коммутации пакетов обычно имеет много узлов и обеспечивает альтернативные и резервные маршруты. Для доставки пакетов используется два метода: старый, X.25, обеспечивающий высокий уровень проверки на ошибки, и новый, метод переключения окна, использующий современные более надежные цифровые телефонные системы. Он позволяет уменьшить объем проверки ошибок и увеличить пропускную способность.

X.25 - это международный стандарт передачи пакетов по общественным сетям. Он поддерживает линии передачи данных со средней или высокой скоростью передачи для постоянного или периодического использования. Типичным применением являются системы электронной почты. Стандарт X.25 часто применяется для организации международных сетей.

X.25 - определен комитетом CCITT и описывает, как информация разбивается на пакеты и передается по сети X.25. Для связи локальной сети с сетью X.25 используется мост или маршрутизатор. Доступ к сети осуществляется через арендуемую линию или линию с вызовом по номеру. Выделенные линии обычно используют синхронную связь, что увеличивает пропускную способность, и имеют скорость передачи от 19.2 до 64 Кбит/сек. Линии с вызовом по номеру используют асинхронные методы и требуют модемов, которые имеют собственные средства коррекции ошибок. Скорость передачи зависят от скорости модема.

Асинхронные коммуникации - это методы с посимвольной передачей, где данные разделяются с помощью старт- и стоп-бит. В синхронных коммуникациях используется блочно-ориентированный метод, а данные разделяются во времени.

Метод переключения окна

Метод переключения окна - это новый метод, созданный на основе спецификации ISDN . Метод переключения окна упрощает и улучшает коммутацию пакетов, устраняя связанную с X.25 обработку сетевого уровня. Мультиплексирование и устранение логических соединений выполняется на уровне связи данных.

Этот метод все шире применяется в общественных и частных сетях. Основываясь на большей надежности современных линий, он устраняет некоторые издержки X.25. Например, в X.25 данные перемещаются из источника через два или более промежуточных узла, и каждый из этих узлов должен подтвердить получение, послав подтверждение передавшему узлу. Когда пакет, наконец, достигает получателя, он должен послать подтверждение источника. Метод переключения окна требует только этого последнего шага. В результате этот метод обеспечивает большую пропускную способность. Таблица состояния, которая используется в X.25 на каждом промежуточном узле для проверки ошибок, управления потоком данных и проверки ошибок в методе переключения окна не требуется.

Средства с методом переключения окна предоставляют такие фирмы как Compuserve, Tymenet, Williams Telecommunications и др.

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 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.

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. Методы коммутации каналов сегодня 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.

Коммутация сообщений

Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение (это может быть, например, текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо) хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранения-и-передачи" (store-and-forward). Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.

Интегральная коммутация(Integrated switching)

Интегральная коммутация - универсальный пакетно-ориентированный метод коммутации, обеспечивающий одновременное прохождение нескольких блоков данных.

Коммутация портов(Port switching)

Коммутация портов - способность модульных концентраторов ставить в соответствие программными средствами один или несколько портов с разными сегментами сети, если каждый сегмент представлен собственным модулем.

Коммутация с запоминанием(Store-and-forward)

Коммутация с запоминанием - способ коммутации, при котором ретрансляционная система полностью получает блок данных, а затем передает его. Коммутация с запоминанием обеспечивает выявление ошибок с помощью цикличного избыточного кода.

Коммутация через точку пересечения(Cross-point switching)

Коммутация через точку пересечения - способ сегментации локальных сетей с топологией типа звезда и разделяемой средой передачи, при котором к коммутатору с одной стороны подключаются концентраторы сегментов, а с другой - серверы.

Коммутация ячеек(Cell relay)

Коммутация ячеек - сетевая технология, обеспечивающая аппаратную скоростную коммутацию данных, упакованных в ячейки постоянной длины. Коммутация ячеек выполняется узлами интегральной коммутации.

Сквозная коммутация(Cut-through switching)

Сквозная коммутация - способ коммутации, при котором блок данных начинает передаваться ретрансляционной системой до того, как он будет полностью получен.

Скоростная коммутация данных(High speed data switching)

Скоростная коммутация данных - методология быстрой передачи в сети блоков данных, предполагающая:

1.выполнение функций коммутации и маршрутизации только аппаратным путем;

2.отказ от проверки блоков данных во всех промежуточных узлах.

Смешанная коммутация(Mixed switching)

Смешанная коммутация - комплексный транспортный сервис, обеспечивающий коммутацию каналов и коммутацию пакетов в сетях ISDN. При смешанной коммутации имеющиеся в коммуникационной сети логические каналы используются для коммутации каналов и создания последовательностей, соединяющих пары административных или абонентских систем. По свободным каналам осуществляется передача блоков данных в режиме коммутации пакетов.

4.

Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов: принципы работы и сравнение

Сети с коммутацией каналов работают, образуя выделенное соединение (канал) между двумя точками. Например, телефонная сеть использует технологию с коммутацией каналов - телефонный вызов устанавливает канал от вызывающего телефона через локальную АТС, по линиям связи, к удаленной АТС, и, наконец, к вызываемому телефону. Пока существует канал, телефонное оборудование постоянно опрашивает микрофон. В случае цифровой сети данные от микрофона кодируются, и полученные значения в цифровой форме передаются его по этому каналу к получателю. Отправителю гарантируется, что опросы будут доведены и воспроизведены, так как канал обеспечивает скорость 64 Кбит/с, которой достаточно для передачи оцифрованного голоса.

Связь при использовании коммутации каналов включает три фазы:

4. Установление канала. Прежде, чем начнется передача данных, должен быть скоммутирован канал, соединяющий источник и получателя информации. При этом между узлами сети происходит обмен сигнализационной информацией. В результате этой фазы узлы вдоль установленного маршрута запоминают информацию о новом соединении.

5. Передача данных. При этом каждый из промежуточных узлов использует информацию, сохраненную на этапе установления канала, для определения следующего узла, которому необходимо передать информацию, относящуюся к данному соединению. В телефонных сетях передача может происходить в аналоговом или цифровом виде. На разных звеньях связи может использоваться разный принцип передачи.

6. Разъединение. Как правило, происходит по инициативе одной из сторон. В ходе разъединения сигнализационная информация передается вдоль всего маршрута. Благодаря этому противоположная сторона извещается о прекращении связи, а промежуточные узлы освобождают ресурсы, выделенные для данного соединения.

Таким образом, в сети с коммутацией каналов ресурсы должны быть выделены перед тем, как начнется передача данных. Каждый из промежуточных узлов сети должен обладать достаточным количеством свободных ресурсов в требуемом направлении (одном из направлений в случае нескольких возможных маршрутов).

Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Это же обстоятельство, однако, приводит и к серьезному недостатку сети с коммутацией каналов: потенциально неэффективному использованию каналов. Ресурсы сети занимаются даже в те моменты времени, в которые передачи данных не происходит. В случае голосового трафика использование канала может быть достаточно высоким, но в случае передачи данных между двумя компьютерами канал может простаивать большую часть времени. Также недостаток коммутации каналов заключается в наличии задержки перед передачей данных, требуемой для установления соединения. Однако после того как соединение установлено, данные могут передаваться с низкой задержкой, что является преимуществом данной архитектуры (таким образом, эти недостаток и преимущество вновь оказываются взаимосвязанными).

Примерно в 1970 году начались исследования в области создания новой архитектуры для передачи цифровых данных на большие расстояния – коммутации пакетов . Толчком к этому послужила потребность в создании живучих сетей, сохраняющих работоспособность при выходе из строя ряда узлов, и, более того, самостоятельно приспосабливающихся к таким изменениям. Как и в случае со многими новыми технологиями, данная технология первоначально имела военное применение. Несмотря на то, что с тех пор технология коммутации пакетов подверглась существенному развитию, в основе ее лежат принципы, заложенные еще в сетях начала 1970-х годов.

Сети с коммутацией каналов, созданные изначально для передачи голосового трафика, обладают рядом недостатков при использовании их для обмена данными между компьютерами:

- Для соединений между компьютерами характерен крайне неравномерный характер трафика: большую часть времени линия бездействует, зато в отдельные моменты времени передается большое количество данных.

- Канал имеет фиксированную пропускную способность, что ограничивает полезное использование сети.

Сети с коммутацией пакетов, тип обычно используемый при соединении компьютеров, используют совершенно другой подход, чем сети с коммутацией каналов. В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами, которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит только несколько сотен или тысяч байт данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, то помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Например, файл, передаваемый между двумя машинами, может быть разбит на большое число пакетов, которые посылаются по сети по одному. Оборудование сети доставляет пакеты к указанному месту назначения, а сетевое программное обеспечение собирает пакеты опять в один файл.

Преимущества коммутации пакетов заключаются в следующем:

- Канал связи используется более эффективно. Пакеты, предназначенные для передачи, ставятся в очередь, а затем передаются так быстро, как это возможно.

- Большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин. В то время как в сети с коммутацией каналов в случае сильной загрузки новые соединения перестали бы устанавливаться, в сети с коммутацией пакетов пакеты по-прежнему принимаются к передаче. При этом, однако, частота приема пакетов уменьшается, а время их доставки – увеличивается.

- При коммутации пакетов возможно использование приоритетов: пакеты с большим приоритетом могут иметь, например, меньшую задержку.

Недостатком сети с коммутацией пакетов является то, что по мере того как возрастает нагрузка в сети, данная пара взаимодействующих компьютеров получает все меньше сетевой пропускной способности. То есть, всякий раз, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты. Заметим, что данный недостаток напрямую связан с указанным выше достоинством – вместо фиксированной и гарантированной пропускной способности канала пользователи получают негарантированную пропускную способность, которая может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от загрузки сети. Таким образом, негарантированная пропускная способность является платой за высокую эффективность использования сети. Заметим также, что в сетях с коммутацией пакетов возможно применение специальных алгоритмов, управляющих качеством обслуживания пользователей. Это позволяет давать пользователям определенные гарантии в отношении характеристик качества обслуживания, подобно тому, как их дают сети с коммутацией каналов.

Независимая маршрутизация отдельных пакетов требует больших вычислительных ресурсов от узлов сети по сравнению с сетью с коммутацией каналов, однако позволяет уменьшить накладные расходы на начало обслуживания новой пары пользователей.

Несмотря на потенциальный недостаток негарантированной сетевой пропускной способности, сети с коммутацией пакетов стали очень популярными. Причинами их широкого использования являются стоимость и производительность. В связи с тем, что к сети может быть подключено большое число машин, требуется меньше соединений и стоимость остается низкой. Так как инженеры смогли создать высокоскоростное сетевое оборудование, с пропускной способностью обычно проблем не возникает.

Сравнительные характеристики сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов можно свести в таблицу:

	Комм. каналов	Комм. пакетов
Пропускная способность канала	Гарантирована	Не гарантирована
Эффективность использования канала	Низкая (в общем случае)	Высокая
Первоначальные затраты на поток данных	Высокие	Низкие
Текущие затраты на поток данных	Низкие	Высокие

Как видно из вышесказанного, оба подхода – и коммутация каналов, и коммутация пакетов – обладают своими преимуществами и недостатками, причем зачастую одни и те же их характеристики могут выступать как преимущества или недостатки в зависимости от характера передаваемого трафика. Характеристиками трафика, делающими предпочтительным вариантом коммутацию каналов, являются:

- Постоянная требуемая пропускная способность.

- Чувствительность к задержке доставки.

Трафик, обладающий перечисленными характеристиками, называется потоковым (stream ). Таковым является трафик в телефонных сетях. Многие мультимедийные приложения также создают потоковый трафик, например, передача звука или видео по сети.

В противоположность потоковому трафику, коммутация пакетов наиболее эффективна при следующих характеристиках трафика:

- Сильные перепады в скорости передачи информации.

- Задержка доставки обладает второстепенной значимостью, на первом месте стоит пиковая скорость передачи.

Такой трафик характерен, например, для передачи файлов или для просмотра страниц в Internet .

Анализ показывает, что задержка доставки информации в сети с коммутацией пакетов ниже, чем в сети с коммутацией каналов, при малых нагрузках в сети и в некотором диапазоне длин пакетов. При большой нагрузке в сети и при передаче длинных блоков данных коммутация каналов является более эффективной.

Наконец, отметим, что сервис, подобный сервису, предоставляемому сетью с коммутацией каналов, может быть предоставлен и сетью с коммутацией пакетов. При этом используются т.н. виртуальные каналы. Прежде, чем приступить к передаче данных, в сети определяется маршрут, по которому она будет происходить, и все узлы вдоль этого маршрута выделяют для нового соединения требуемое количество ресурсов и сохраняют информацию об этом соединении. После этого начинается передача данных. Данные передаются в виде пакетов, однако эти пакеты коммутируются не независимо, как это происходит в сети с коммутацией каналов, а передаются по заранее проложенному маршруту. После завершения передачи данных использовавшийся для нее канал разрушается. Таким образом, создается канал, соединяющий двух пользователей, работающий поверх пакетной сети. Такой канал называется виртуальным. Среднее значение и дисперсия времени доставки пакетов при использовании виртуального канала будут меньше, чем в случае независимой коммутации каждого отдельного пакета, поскольку ресурсы сети для передачи этих пакетов выделены заранее, а обработка пакетов осуществляется более простым образом. Таким образом, в сетях с коммутацией виртуальных каналов происходит перераспределение функциональности по сравнению с сетями с коммутацией пакетов: имеются определенные накладные расходы на установление соединения, но дальнейшая маршрутизация информации очень проста – данные передаются в соответствии с уже определенным маршрутом.

Технология коммутации виртуальных каналов позволяет устранить ряд недостатков, свойственных сетям с коммутацией каналов: виртуальные каналы могут обладать переменной пропускной способностью, что позволяет более гибко выбирать способ обслуживания пользователей в сети в зависимости от их потребностей. В результате предоставление гарантированных характеристик канала (в т.ч. пропускной способности) может сочетаться с высокой эффективностью использования сети. Более подробно об этом будет сказано в разделе, посвященном сетям ATM .

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.

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

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.

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.

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.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.

1. Коммутация пакетов

Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. 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 составлять 1:50 или 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 использоваться – часть тайм–слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети 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. п. 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 узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рисунок 1.39). Пакеты транспортируются в 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.

Рисунок 1.39

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 (рисунок 1.40). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Рисунок 1.40

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе 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 собственную 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. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рисунке 2.40 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. 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.

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 она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.