Способы коммутации и передачи данных в сетях
Вступление
В данной статье мы рассмотрим основные методы коммутации в сетях.
Что такое коммутация?
В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).
Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную не коммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.
Коммутация — это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.
Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).
Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:
- коммутация каналов (circuit switching);
- коммутация пакетов (packet switching);
- коммутация сообщений (message switching).
Коммутация каналов
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. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.
Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения.
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.
Достоинства и недостатки коммутации каналов:
- Постоянная и известная скорость передачи данных
- Правильная последовательность прихода данных
- Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть
- Возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения
- Нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности 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
- Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения
Коммутация сообщений
Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации.
Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения.
При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.
Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.
Коммутация пакетов
Коммутация пакетов — это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, 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 (EtherNet). 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.
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.
Достоинства и недостатки коммутации пакетов:
Источник
Коммутация каналов: принцип работы, достоинства и недостатки.
Коммутация каналов (circuit switching) – тип связи, при котором выделенный канал (или линия) предоставляется на всё время передачи.
— постоянная и известная скорость передачи по установленному между конечными узлами каналу
— отказ сети в обслуживании, если через канал проходит максимальное число информационных потоков
— нерациональное использование пропускной способности физических каналов
— обязательная задержка перед передачей данных из-за установления соединения
Коммутация с запоминанием. Достоинства и недостатки.
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 пакетов: принцип работы.
Коммутация с запоминанием в отличии от коммутации каналов основана на передаче информации заранее записанной в память узла коммутации. Данные поступающие от терминала записываются в память узла коммутации, при этом данные могут быть преобразованы. После запоминания при наличии свободного канала данные передаются на следующий узел и т.д. до терминала получателя. Маршрут передачи информации через сеть может измениться даже в течении передачи одного пакета. Т.о. при изменении состояния сети узел может изменить маршрут следования данных, причём таких маршрутов может быть очень много. Это делает сети с запоминанием надёжными и эффективными.
Коммутация с запоминанием применяется, как правило, в цифровых сетях и подразделяется на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.
Коммутация сообщений характеризуется тем, что информация передаётся целиком, без нарушения её целостности. Важной частью сообщения является заголовок с адресом отправителя и адресом получателя.
В сети Интернет используется иной метод передачи данных – коммутация пакетов.
Коммутация пакетов (packet switching) – организация соединений путём разбиения информации перед передачей на пакеты. Каждый пакет данных снабжается адресами пунктов назначения и отправки. Каждый пакет передаётся независимо от других и каждый может идти своим путём. Когда все пакеты приходят в пункт назначения, они собираются в исходный файл.
68. Коммутация пакетов: достоинства и недостатки. Преимущества коммутации пакетов:
— высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика
— возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика
— более высокая надёжность передачи
— эффективное управление нагрузкой
Недостатки коммутации пакетов:
— неопределённость скорости передачи данных
— переменная величина задержки пакетов
— возможность потери данных
Виртуальные каналы
Стандарты установления соединения для уровня ATM определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал ATM — это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным; это означает, что после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее.
После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация:
· адрес порта, из которого приходят ячейки;
· специальные значения в заголовках ячейки, которые называются идентификаторами виртуального канала (virtual circuit identifiers — VCI) и идентификаторами виртуального пути (virtual path identifiers — VPI).
· Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.
Имеются три типа виртуальных каналов:
· постоянные виртуальные каналы (permanent virtual circuits — PVC);
· коммутируемые виртуальные каналы (switched virtual circuits — SVC);
· интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (smart permanent virtual circuits — SPVC).
PVC — это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Пользователь сообщает провайдеру ATM-услуг или сетевому администратору, какие конечные станции должны быть соединены, и он устанавливает PVC между этими конечными станциями.PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.
SVC устанавливается по мере необходимости — всякий раз, когда конечная станция пытается передать данные другой конечной станции. Когда отправляющая станция запрашивает соединение, сеть ATM распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции, какие VCI и VPI должны быть включены в заголовки ячеек. Через произвольный промежуток времени SVC сбрасывается. SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM. Кроме того, стандарты передачи сигналов описывают способ управления трафиком и предотвращения «заторов»: соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение. Процесс определения, может ли быть установлено соединение, называется управлением признанием соединения (connection admission control — CAC).
SPVC — это гибрид PVC и SVC. Подобно PVC, SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. Однако провайдер ATM-услуг или сетевой администратор задает только конечные станции. Для каждой передачи сеть определяет, через какие коммутаторы будут передаваться ячейки.Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.
PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.В некотором смысле SPVC обладает лучшими свойствами этих двух видов виртуальных каналов. Как и в случае с PVC, SPVC позволяет заранее задать конечные станции, поэтому им не приходится тратить время на установление соединения каждый раз, когда одна из них должна передать ячейки. Подобно SVC, SPVC обеспечивает отказоустойчивость. Однако и SPVC имеет свои недостатки: как и PVC, SPVC устанавливается вручную, и для него необходимо резервировать часть полосы пропускания — даже если он не используется.
Источник
Коммутация каналов и коммутация пакетов. Часть 1
Разные подходы к выполнению коммутации
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 ).
Внешне обе эти схемы соответствуют приведенной на рис. 6.1 структуре сети, однако возможности и свойства их различны.
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 . Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но 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 рис. 6.1, 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.
Техника коммутации каналов имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинства коммутации каналов
- 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.
- 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
- Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения . Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором 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 , что характерно для многих телефонных сетей . При поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки — сигнал «занято».
- 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 , например в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией каналов , так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.
- Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения .
Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью «вырезать» паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план.
Источник
