Структура сети с коммутацией каналов. Сети с коммутацией каналов. Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов

Все существующие в настоящее время телекоммуникационные сети для обеспечения требуемых функций могут использовать две разновидности связи - коммутация каналов и (или) пакетов. Что это такое и чем они отличаются друг от друга?

Начнем, пожалуй, с того, как работают сети с коммутацией каналов. Они появились ранее своих аналогов с коммутируемыми пакетами, поэтому, что неудивительно, более просты в реализации. Яркий пример сети, в которой используется коммутация каналов - это телефонная линия связи. Очевидно, что для того, чтобы два абонента могли начать общение, необходимо установить между ними связь. Абонент-инициатор набирает номер, который, фактически, является командой оборудованию находящейся между ними, должным образом соединить две линии - от инициатора и от ответчика (берем пример, когда абоненты обслуживаются одной станцией). Ранее для этого применялись механические щупы на простейших затем, с появлением цифровых решений, реализация изменилась, хотя принцип остался тем же. Коммутация каналов предоставляет абонентам независимую линию, которая остается закрепленной за ними до окончания сеанса связи. Преимущества очевидны: высокая надежность, отсутствие необходимости передачи контрольных пакетов. Однако данный способ соединения с увеличением количества абонентов становится слишком расточительным, так как количество каналов физически ограничено. Даже попытка решить эту проблему применением уплотнений является лишь временной мерой, определенным промежуточным решением. Кроме этого, коммутация каналов обладает одним существенным недостатком - линия связи занята все время, даже если обмена информацией между абонентами нет. К примеру, при телефонном разговоре можно положить трубку рядом с аппаратом и уйти по своим делам - канал останется зарезервированным за ними, пока не поступит сигнал разорвать связь.

Именно поэтому впоследствии на смену коммутированию каналов пришел способ коммутации пакетов. Принцип его работы предполагает кодировку и разбиение передаваемого потока данных на ряд отдельных пакетов, которые по общей линии связи передаются получателю и там объединяются в исходный поток. Чтобы понять различия указанных двух способов, можно воспользоваться аналогией с транспортной линией: при коммутации каналов линия представлена железнодорожной колеей, а поток данных - это состав из множества вагонов. Вполне понятно, что на пути следования задержки встречаются крайне редко, а надежность одна из самых высоких. В то же время, по этой колее одновременно не могут двигаться несколько составов. А вот линий с коммутацией пакетов - это скоростная автотрасса с многополосным движением. Перевозимый груз (передаваемые пакеты) разделяется на несколько машин которые, лавируя в потоке других видов транспорта, достигают места назначения, где происходит сборка изначальной конструкции. В данном примере дорога - это канал связи, а машины представляют собой пакеты данных. Они спокойно сосуществуют на одной дороге, почти не мешая перемещениям друг друга. Исключения - заторы, светофоры и внештатные ситуации (это задержки). Даже если какая-либо машина не прибыла к получателю, ее копия по запросу может быть отправлена повторно. Суммарный объем передаваемой за единицу времени информации при пакетной коммутации существенно выше, чем в случае с каналами.

В целом, коммутация это переключение чего-либо, смена состояний. В сетевой технике она формирует маршрут для прохождения данных. Особенность заключается в способе его организации. Коммутацию не стоит не путать с маршрутизацией, задачей которой является поиск оптимального пути следования.

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

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

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

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

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

Коммутация каналов

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

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

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

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

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

Коммутация пакетов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Коммутация каналов на разных скоростях и сети ISDN

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

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

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

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

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

Протокол X.25

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

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

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

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

Ретрансляция кадров Frame Relay

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

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

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

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

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

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

Ретрансляция ячеек Cell Relay

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

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.

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.