Классификация способов коммутации
Коммутация – процесс создания последовательного соединения функциональных единиц, каналов передачи или каналов связи на то время, которое требуется для транспортировки сигналов.
При передаче сообщений используются следующие основные способы коммутации: коммутация каналов (КК), коммутация сообщений (КС), коммутация пакетов (КП), гибридная коммутация (ГК) (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Классификация способов коммутации
Коммутация каналов – способ коммутации, при котором обеспечивается временное соединение каналов на различных участках сети для образования прямого канала между любой парой абонентских пунктов этой сети.
Коммутация каналов применяется, как правило, на аналоговых или односкоростных цифровых сетях связи. На таких сетях осуществляется статическое распределение сетевого ресурса или применяется фиксированная полоса пропускания, выделенная для передачи информации. При этом задержка сообщений минимальная и определяется только временем установления соединения.
Данный способ считается недостаточно гибким и на его основе практически невозможно построить мультисервисную цифровую сеть с большим набором скоростей.
В цифровых сетях связи разновидностями классической КК являются способы многоскоростной коммутации каналов (МКК) и быстрой коммутации каналов (БКК).
Способ многоскоростной коммутации каналов является более динамичным по сравнению с обычной коммутацией каналов. При этом способе канал с минимальной скоростью передачи выбирается как базовый. Путем объединения базовых каналов формируется набор каналов с различными скоростями, кратными базовой. В качестве базовой могут быть выбраны, например, скорости 8 или 64 кбит/с. Затем, в зависимости от требований, пользователю представляется тот или иной составной канал.
При осуществлении быстрой или многоскоростной коммутации оптимально используются возможности полупроводниковых элементов коммутационного устройства, когда в любой момент времени канал обмена будет представлять собой комбинацию нескольких каналов с базовой скоростью.
Особенностью многоскоростной коммутации является предоставление канала по требованию в паузах речевого сигнала. Динамическое распределение полосы пропускания увеличивает эффективность сети связи, но при перегрузках часть речевых отрезков теряется. Кроме того, при реализации БКК и МКК полоса результирующего канала должна быть кратна полосе базового канала.
Коммутация сообщений – способ коммутации, при котором в каждой системе коммутации производится прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом.
При применении способа коммутации сообщений используется накопление сообщения (или его части) в памяти центров коммутации, поэтому сообщение из оконечных пунктов сети связи передается в центр коммутации сообщений (ЦКС), затем в другой центр и т.д., пока сообщение не достигнет того, с которым непосредственно связан оконечный пункт сети связи (ОПСС). Подобная поэтапная передача сообщения позволяет получить ряд положительных свойств для сети связи, что приводит к преимущественному использованию способа коммутации сообщений в современных сетях связи. В настоящее время существует несколько вариантов этого способа коммутации. Основными из них являются полный переприем сообщений и коммутация пакетов. В первом случае в центрах коммутации осуществляется переприем полного сообщения, во втором – лишь его части (пакета), что обеспечивает получение ряда преимуществ, которые будут рассмотрены далее.
Коммутация пакетов – способ коммутации, при котором сообщение делится на части определенного формата – пакеты, принимаемые, накапливаемые и передаваемые как самостоятельные сообщения по принципу, принятому для коммутации сообщений.
Каждому пакету присваивается адрес сообщения, а в ряде случаев – признак принадлежности определенному сообщению и его порядковый номер. Если все пакеты одного сообщения передаются по единому пути (по одному виртуальному каналу), то режим коммутации называется виртуальным, если же каждый пакет передается по самостоятельному пути – датаграммным.
Виртуальный канал – это логический канал, проходящий через телекоммуникационную сеть.
Способ коммутации пакетов соответствует механизму динамического распределения сетевого ресурса или переменной полосе пропускания, изменяющейся в зависимости от требования абонентов. Однако при этом имеют место случайные задержки информации. Способ КП является наиболее приемлемым для передачи данных, особенно при пачечной структуре трафика. Трафик – совокупность сообщений, передаваемых по сети электросвязи.
Следует отметить, что наряду со случайной задержкой информации применение способа КП связано и с другой проблемой – сложностью протоколов.
Одной из разновидностей КП является способ быстрой коммутации пакетов (БКП), использующий более простые протоколы. Также как и при обычной КП, в сети с БКП организуются виртуальные каналы, и информация в заголовке пакета определяет, какой из каналов должен быть использован для передачи пакета. Для реализации БКП требуется строить сеть связи на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), включая и абонентскую сеть, что обеспечивает большие скорости передачи сообщений и малые значения вероятности ошибки. Кроме того, в сетях с БКП проще технически реализовать узлы коммутации по сравнению с сетями с КП.
Ниже рассмотрим подробнее процедуры передачи сообщения между оконечными пунктами отправителя ОПСС и получателя ОПСС при применении различных способов коммутации на примере использования фрагмента сети связи, содержащей последовательно соединенных каналами связи центров коммутации ЦК1, ЦК2,… ЦКz (рис. 1.16).
Источник
Методы коммутации
Материал из ПИЭ.Wiki
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.
Содержание
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.
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:
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.
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.
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.
Другие виды коммутаций
Ethernet-коммутация — метод повышения пропускной способности в многосегментных мультисерверных и одноранговых локальных сетях посредством замены концентраторов, мостов и маршрутизаторов на коммутаторы.
Ethernet-коммутация с полнодуплексным обменом(Full duplex switched Ethernet)
Ethernet-коммутация с полнодуплексным обменом — режим дуплексного обмена, реализованный в сетях Ethernet, построенных на базе коммутирующих концентраторов с выделенными соединениями. В таких сетях через каждый порт могут вестись прием и передача данных.
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.
—Darya Chernenko 09:07, 16 января 2011 (UTC)
Источник
