Пакетный способ передачи файлов по сети

Коммутация каналов и пакетов в сетях передачи данных

Коммутация каналов и пакетов — это методы решения обобщенной задачи коммутации данных в любой сетевой технологии. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в своей совокупности состоит из частных задач сетей передачи данных.

К частным задачам сетей передачи данных относятся:

• 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;
• разделение среды передачи.

Среди множества возможных подходов к решению обобщенной задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов . При этом существуют традиционные области применения каждой из техник коммутации, например, телефонные сети строились и продолжают строиться с использованием техники коммутации каналов, а компьютерные сети в подавляющем большинстве основаны на технике коммутации пакетов.

Так в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов. Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

Элементарный канал

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

В традиционных телефонных сетях величина скорости элементарного канала равняется 64 Кбит/с , что достаточно для качественной цифровой передачи голоса.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретизация по значениям).

В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с:

8000 х 8 = 64 000 бит/ с или 64 Кбит/с.

Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.

Составной канал

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

Свойства составного канала:

• составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов;
• составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;
• составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;
• на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;
• в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;
• данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;
• после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

Отказ в соединении

Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно.

Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения .

Преимущество коммутации каналов

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных событий в сети, то есть это технология. Во избежание всяких возможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется заранее, еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Но в случае с пульсирующим трафиком, данный подход является неэффективным, так как до 80% времени канал может простаивать.

Коммутация пакетов

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами . Каждый пакет снабжен заголовком , в котором содержится адрес назначения и другая вспомогательная информация (длина поля данных, контрольная сумма и др.), используемая для доставки пакета адресату.

Наличие адреса в каждом пакете является одной из важнейших особенностей техники коммутации пакетов, так как каждый пакет может быть обработан коммутатором независимо от других пакетов, составляющих сетевой трафик. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, размещаемое в конце пакета и поэтому называемое концевиком. В концевике обычно помещается контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

Разбиение данных на пакеты

Разбиение данных на пакеты проходит в несколько этапов. Узел отправитель формирует цепочку передаваемых данных, которая разбивается на равные части. После чего происходит образование пакетов путем добавления заголовочной служебной информации. И последним этапом происходит сборка пакетов в исходное сообщение в узле назначения.

Передача данных по сети в виде пакетов

Как и в сетях с коммутацией каналов, в сетях с коммутацией пакетов для каждого из потоков вручную или автоматически определяется маршрут, фиксируемый в хранящихся на коммутаторах таблицах коммутации. Пакеты, попадая на коммутатор, обрабатываются и направляются по тому или иному маршруту

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

Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его интерфейсам, а также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации.

Методы продвижения пакетов

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

• дейтаграммная передача;
• передача с установлением логического соединения;
• передача с установлением виртуального канала.

Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на независимом продвижении пакетов друг относительно друга. Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети . И каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи — дейтаграмма.

Передача с установлением логического соединения

Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения.

Виртуальный канал

Единственный заранее проложенный фиксированный маршрут, соединяющий конечные узлы в сети с коммутацией пакетов, называют виртуальным каналом (virtual circuit или virtual channel). Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. С целью выделения потока данных из общего трафика каждый пакет этого потока помечается специальным видом признака — меткой. Так же как в сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла-источника специального пакета — запроса на установление соединения.

Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы, отличается от таблицы коммутации в дейтаграммных сетях. Она содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения, как это имеет место в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения

Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов

Коммутация каналов	Коммутация пакетов
Необходимо предварительно устанавливать соединение	Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ)
Адрес требуется только на этапе установления соединения	Адрес и другая служебная информация передаются с каждым пакетом
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения	Сеть всегда готова принять данные от абонента
Гарантированная пропускная способность (полоса пропускания) для взаимодействующих абонентов	Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
Трафик реального времени передается без задержек	Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
Высокая надежность передачи	Возможные потери данных из-за переполнения буферов
Нерациональное использование пропускной способности каналов, снижающее общую эффективность сети	Автоматическое динамическое распределение пропускной способности физического канала между абонентами

Рекомендуем хостинг TIMEWEB

Рекомендуемые статьи по этой тематике

Источник

ПАКЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

Вся информация, передаваемая по сети: файлы, звук, видео и т. д., представляет собой массив цифровых данных. На исходном сервере эти данные (например, HTML-код просматриваемой вами страницы) «разрезаются» на отдельные «порции» заранее оговоренной длины (например, по 256 байт), причем каждая из них снабжается индивидуальным «заголовком». Такая «порция» и называется пакетом .

В «заголовке» содержится информация о месте назначения (адрес, под которым компьютер пользователя, запросившего этот файл, числится в Интернете), об имени файла, к которому принадлежит этот пакет, и о порядковом номере данного пакета (то есть о том, из какого места данного файла он был «вырезан»), а также контрольная сумма — некое число, служащее для проверки правильнос ти передачи.

Пакеты пересылаются по сети Интернет, иногда даже по разным маршрутам, зависящим от загруженности тех или иных линий связи. Маршрут следования каждого пакета определяют специальные компьютеры — IP-маршрутизаторы . Такая технология передачи данных называется динамической маршрутизацией . На пользовательском компьютере для каждого пакета после его получения подсчитывается отдельно друг от друга контрольная сумма и сверяется с тем значением, которое хранится в заголовке. Если два значения контрольной суммы совпадают, то пакет считается принятым без ошибок. В противном случае он повторно запрашивается с сервера (только этот пакет, а не весь файл целиком!). Когда же все пакеты «в сборе», они автоматически объединяются в файл, являющийся точной копией исходного.

Пользователь часто даже и не подозревает, какие сложные процессы совершаются, когда он просто просматривает в Интернете выбранную им страничку!

Источник

Пакетная передача данных

Чаще пользователей интересуют сотовые сети. Второе поколение 2G существенно ускорило пакетную передачу данных. Ключом явилось использование технологии GPRS. Последующие стандарты, включая поколения 5G, считают исключительно надстройками. Сети предпочитают работать со структурированной информацией, добиваясь весомых преимуществ: повышение скорости, возможность коррекции ошибок, оптимизация логистики, постдоставка. Современный интернет – услуга сугубо пакетированная.

Пакет

Пакет – определённым образом сформированный объем данных, передаваемых сетью.

Почему использование упорядоченной структуры позволяет ускорить отправку? Информация будет передаваться небольшими порциями. Вместо частотной, временной коммутации каналов начинают применять пакетную. Аппаратура располагает большими возможностями автоматизации, оптимизации распределения ресурсов меж абонентами. Становится доступным назначить каждому устройству скорость, реализуя заявленные операторами тарифные планы.

Простейшее определение даёт журнал Наука и жизнь (№11, 2000):

• Сервер нарезает сформированную информацию порциями оговорённой длины. Снабжает посылки заголовком. Порция называется пакетом.

Направление в сети интернете выбирает IP-маршрутизатор. Мобильной связью заведуют базовые вышки. Сменяющиеся поколения пакетной передачи заставляют провайдеров модернизировать оборудование. Относиться легкомысленно нельзя – клиенты заклюют. Так Билайн, имевший подавляющее преимущество, отдал ветку первенства МТС. Мегафон идёт вдогонку. Сегодня выигрывает правильно избравший дорогу.

Структура

Преамбулу, формат определяет протокол. Последовательный порт RS-232 предусматривает наличие стартовых битов. Заголовок иногда содержит адрес абонента, обязательно присутствует полезная информация, опционально – контрольная. Длина пакета (MTU), измеряемая байтами, строго фиксирована. Меж посылками соблюдают интервал молчания. Антонимом называют непрерывную передачу информации последовательностью битов.

Структура слоёв OSI:

1. Второй (канальный, связи данных) – кадр.
2. Третий (данных) – пакет.
3. Четвёртый (транспортный) – датаграмма.

TCP-сегмент, являющийся составной частью датаграммы IP-протокола, содержит несколько пакетов, разбитых кадрами. Представление данных определено стандартом. PPP использует 8-битные байты, специальные элементы выступают разделителями. Эксперты, объясняя новичкам понятие пакета, предлагают модель письма:

1. Заголовок – эквивалент конверта.
2. Полезная информация – листок бумаги внутри.

Заголовок IP-пакета содержит следующие набор сведений:

1. Версия (IPv4, IPv6) – 4 бита.
2. Длина заголовка – 4 бита.
3. Приоритет (QoS) – 8 бит.
4. Длина пакета – 16 бит.
5. Слот идентификации группы – 16 бит.
6. 3 бита фрагментации:
   • Всегда нуль.
   • Допустимость разбиения на части.
   • Наличие иных частей текущего пакета, идущих следом.

Адрес

Сетевые пакеты снабжены двумя адресами:

Выявление/коррекция ошибок

Поддерживается различными слоями протокола. Распространённые методики контроля:

• Контрольная сумма.
• Бит чётности.
• Циклический код избыточности.

Иногда возможна модификация битых пакетов промежуточными звеньями передачи.

Счётчик прыжков

Встретив ошибку сети, пакет должен перестать бесцельно грузить сеть. Посланию назначают время жизни. Величина снижается каждой промежуточной точкой. Увидев нулевое время жизни, устройства уничтожают информацию. Сети Ethernet, лишённые возможности контролировать процесс аннулирования, подвергаются широковещательным штормам. Часть вызвана намеренной атакой хакеров.

Длина

Иногда размер указывают прямо, отдельные сети эксплуатируют принцип временного деления канала.

Приоритет

QoS стал притчей во языцех, отнимая 20% полосы пропускания сети, используемой для передачи приоритетных пакетов «срочно».

Полезная нагрузка

Непосредственно информационное сообщение, контрольная информация.

Примеры

Структурированные данные помогли увеличить производительность отдельных областей науки/техники.

Пакетный поток MPEG

Спецификация пакетированной передачи (PES) определена стандартом MPEG-2. Любопытный нюанс: использующие технологию программы ПК выполняют аналогичную работу, минуя сеть.

Заголовок

1. Старт-код:
   • Префикс длиной 3 байта – шестнадцатеричная единица.
   • Идентификатор потока длиной 1 байт – аудио, видео…
2. Длина пакета – 2 байта. Может быть нулевой, неопределённой для потоков видео.
3. Опциональный заголовок PES переменной длины.
4. Длина битов начинки.
5. Передаваемые данные.

Опциональный заголовок

1. Маркерные биты – 0х02.
2. Контроль шифрования. 0 – отсутствие скремблирования.
3. Приоритет – 1 бит.
4. Индикатор выравнивания – 1 бит. 1 – после заголовка непосредственно идёт информация.
5. Авторское право – 1 бит. 1 – защищённое произведение.
6. Оригинальность копии – 1 бит. 1 – содержит оригинал.
7. Индикатор PTS DTS – 2 бита. 11 – оба, 10 – PTS.
8. Флаг ESCR – 1 бит.
9. Флаг скорости ES – 1 бит.
10. Флаг режима DSM – 1 бит.
11. Флаг дополнительной копии информации – 1 бит.
12. Флаг CRC – 1 бит.
13. Флаг расширения – 1 бит.
14. Длина заголовка PES – 8 бит. Протяжённость оставшегося сегмента, имеющего переменную длину.
15. Опциональные поля.
16. Биты начинки – 0хff.

Технология призвана ускорить сети второго поколения сотовой связи. Пакетную передачу считают европейским ответом развитию концепции цифровой передачи CDPD (начало 90-х) и режиму i-mode. Основу GPRS составил разработанный ранее (1991-1993) стандарт CELLPAC. Пакетную передачу внедрили в 2000 году, окончив эпоху второго поколения сотовых сетей, создав пристройки:

Стандарт предполагает передачу IP-пакетов, реализуя туннельный протокол.

Функции

1. СМС.
2. ММС.
3. Мессенджеры.
4. P2P.
5. P2M.
6. Интернет.

Туннельный протокол

Группа протоколов специально предназначена доставлять пакеты посредством беспроводной связи. Используется сетями GSM, UMTS, LTE. LTE существенно увеличивает скорость, благодаря модернизации ядра сети, использованию сигнальных процессоров, структура пакетов наследуется от GPRS и HSPA. Система запрос-ответ блокирует лишний расход ресурсов. Предваряя отправку сообщения, точка оценивает доступность получателя, создаёт туннель – канал передачи информации. Словами 3GPP, туннельный протокол означает – вариант IPv6-интерфейса. Структурно образован тремя составляющими:

1. GTP-C (control). Функционирует сугубо внутри ядра сети. Управляет активацией, деактивацией, обновлением сессии, предоставляет QoS-приоритет. Создаёт, удаляет контекст PDP, определяет достижимость адресата.
2. GTP-U (user). Заведует переносом пакетов IPv4, IPv6, PPP меж ядрами сетей и средствами беспроводной связи.
3. GTP` (первичный). Управляет связью разрозненных частей сети.

Заголовок идентичен TCP/UDP. Пример версии 1:

1. Номер версии – 3 бита. GTPv1 = 1.
2. Тип протокола – 1 бит. GTP` = 0.
3. Зарезервировано – 1 бит. Должен быть 0.
4. Флаг расширения заголовка – 1 бит.
5. Флаг номера последовательности – 1 бит.
6. Флаг номера N-PDU – 1 бит.
7. Тип сообщения – 8 бит.
8. Длина сообщения 16 бит.
9. Идентификатор конечной точки – 32 бита.
10. Номер последовательности – 16 бит. Присутствует опционально. Содержание задаётся флагами.
11. Номер N-PDU – 8 бит. Присутствие задаётся флагами.
12. Тип заголовка следующего расширения – 8 бит.

Туннель позволяет менять абоненту местоположение, заведуя непрерывной передачей информации.

Туннель наводится меж узлами – точками, поддерживающими GPRS. Каждая снабжена входным Gn-интерфейсом. Имеются 2 глобальные разновидности:

1. Врата (шлюзовый узел). Главный компонент, разделяющий среду GPRS и внешнюю часть (интернет, Х.25…). Извне врата выглядят подсетью, укрывая подробности реализации протокола. Происходит двунаправленная конвертация пакетов PDP-IP. Здесь находится пул.
2. Служба (обслуживающий узел). Составная часть базовых станций, мобильного оборудования. Поддерживает GPRS, UMTS. Занимается выслеживанием других служб-оппонентов, поддерживает функции контроля доступа. Подключается к базовым станциям GERAN посредством интерфейсов Gb, Iu; UTRAN – Iu. Переносит пакеты беспроводными путями.

Точка доступа

Имеет несколько определений:

1. IP-сеть подключения.
2. Набор настроек, описывающих соединение.
3. Соответствующая опция телефонного аппарата.

После формирования телефоном PDP-пакета выбирается APN (имя точки доступа). Настройки вводят вручную, либо заказывают автоматические. Точка доступа заведует отправкой адресов ДНС-серверу, получением адреса IP ресурса. Затем начинается передача контента:

PDP-контекст

Контекст пакетированного протокола данных (IP, X.25, FrameRelay) – структура, передаваемая участникам связи. Содержит информацию о сессии абонента. Мобильный телефон, запрашивающий информацию, формирует структуру, направляя ближайшему звену цепи:

• IP-адрес абонента.
• IMSI.
• Туннельная точка врат.
• Туннельная точка службы.

Опорные точки и интерфейсы

Некоторые экземпляры рассматриваемых структур упоминались выше. Интерфейсы:

1. Ga – помогает передать запись деталей вызова.
2. Gb – интерфейс подключения службы к базовой станции.
3. Iu – врата меж контроллером беспроводной сети и службами.
4. Gc – интерфейс получения вратами детальной информации, описывающей базовую станцию.
5. Gd – соединяет SMS врата со службами.
6. Ge – интерфейс служба-точка контроля сервиса.
7. Gf – интерфейс служба-реестр идентификаторов оборудования.
8. Gi – интерфейс врата-публичная сеть (иногда интернет).
9. Gmb – интерфейс врата-центр службы вещания.
10. Gn – интерфейс общения служб.
11. Gp – интерфейс служба-внешние врата.
12. Gr – интерфейс служба-базовая сеть.
13. Gs – интерфейс служба-реестр базовой сети.
14. Gx – интерфейс онлайн политики врата-функция правил оплаты.
15. Gy – интерфейс врата-система онлайн оплаты.
16. Gz – интерфейс оффлайн оплаты врата-система GTP`.
17. Lg – интерфейс служба-центра базирования мобильных врат.
18. S6d – интерфейс служба-сервер домашних абонентов.
19. S3 – интерфейс служба-объект управления мобильностью.

GPRS расширял функционал GSM, HSPA выполняет аналогичную роль касательно UMTS. Различаются два подвида:

1. Нисходящая ветвь (загрузка информации станцией) – 14 Мбит/с.
2. Восходящая ветвь (приём информации станцией) – 5,76 Мбит/с.

Потоки разнесены ввиду разных техник, скоростей. Протоколы пакетной передачи удваивают скорости оригинального стандарта.

HSDPA

Усовершенствованный вариант протокола третьего поколения. Чаще называют 3G+, 3.5 G, Turbo G. Представлен пятым релизом 3GPP. Седьмой выпуск ввёл понятие HSPA+, предоставляющий преимущества благодаря:

1. Модуляции 64QAM.
2. Множественное кодирование MIMO.
3. Двуячеячные операции HSDPA (два канала шириной 5 МГц).

Наконец, релиз 11 достиг планки 337,5 Мбит/с.

HSUPA

Добавляет новый транспортный канал. Последовали улучшения, дублирующие HSDPA:

1. Мультикодированная передача.
2. Сокращение время отклика (TTI).
3. Новое управление избыточностью, ускоряющее коррекцию ошибок.

Пакетная передача дополнена принципом гарантированного запроса. Оболочка выбирает количество абонентов, устанавливает время связи. Разрешается передача данных без авторизации, используется VoIP. Скорость устанавливается по факту соединения. Контролируемый оболочкой звонок получается заданные характеристики.

Источник