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.

Лекция 6. Коммутация каналов и коммутация пакетов. Часть 1

Рассматриваются и сравниваются основные подходы к решению задачи коммутации: коммутация пакетов, каналов и сообщений.

Ключевые слова: коммутация каналов, коммутация пакетов, непрерывный составной физический канал, соединение, резервирование пропускной способности, отказ в обслуживании, низкий уровень задержки, синхронность передачи, голосовой трафик, пакеты, заголовки, адреса, независимая маршрутизация, коммутатор, буферизация, случайные задержки, пульсирующий трафик, качество обслуживания.

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.

Рис. 6.1. Общая структура сети с коммутацией абонентов.

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 А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Затем коммутатор Е 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.

Рис. 6.2. Установление составного канала.

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 пакетов, 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.

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. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. 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 достигать 1:50 или даже 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 закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям 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 (рис. 6.3). 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 (рис. 6.3). 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 сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае 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 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.

Рис. 6.3. Разбиение сообщения на пакеты.

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 рис. 6.4 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. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа – он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Данные нарезаются порциями - пакетами, каждый из которых обрабатывается коммутаторами независимо

Каждый пакет содержит адрес назначения и адрес отправителя

Не требуется предварительной процедуры установления соединения

Рис. 6.4. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов.

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 ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

время на передачу заголовков;

задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

время буферизации пакета;

время коммутации, которое складывается из:

времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства 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.

Недостатки коммутации пакетов

Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

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. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они 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. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать его серверу входящей почты адресата. 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 (абонент занят) 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.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Вариант 1

1. Какой способ коммутации наиболее распространен сегодня в компьютерных сетях?

коммутация каналов

коммутация пакетов

коммутация сообщений

2. Какие свойства относятся к сетям с коммутацией пакетов?

гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов

3. Какая из перечисленных ниже технологий основана на коммутации пакетов?

телефонные сети

Вариант 2

1. Какие из перечисленных ниже свойств сетей с коммутацией каналов являются их

недостатками?

обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения

постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу

возможность отказа сети в обслуживании запроса на установление соединения

низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть

2. Какие свойства характерны для сетей с коммутацией каналов?

адрес используется только на этапе установления соединения

каждая порция данных снабжается адресом

сеть может отказать абоненту в установлении соединения

3. Используется ли буферизация в сетях с коммутацией каналов?

всегда, на каждом промежуточном узле

нет, никогда

иногда, при большой загрузке сети

Вариант 3

1. Какие из перечисленных ниже свойств сетей с коммутацией пакетов негативно

сказываются на передаче мультимедийной информации?

возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика

неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная зависимостью задержек в очередях буферов коммутаторов сети от общей загрузки сети

переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети

возможные потери данных из-за переполнения буферов

2. Какие свойства относятся к сетям с коммутацией каналов?

сеть всегда готова принять данные от абонента

ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика

пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер

трафик реального времени передается без задержек

3. Какой элемент сети с коммутацией каналов может отказать запрашивающему узлу в

установлении составного канала? допускается использовать исключительно в образовательных целях . Запрещается тиражирование информационных ресурсов с целью

Страница 29 из 29 Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов

Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и се­годня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания высокоскоростных магистральных каналов связи. Первые сеансы связи между компью­терами были осуществлены через телефонную сеть, то есть также с применением техники коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети.

В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов (Термин «абонент» принят в телефонии для обозначения конечного узла. Так как все мы - много¬летние пользователи телефонной сети, то далее мы будем сопровождать наше объяснение принципа работы сетей с коммутацией каналов примерами из области телефонии.) .Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Для всех возможных потоков заранее определяются марш­руты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администра­тором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На осно­вании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако, как уже было сказано, в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности.

Элементарный канал

Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

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

Говоря о сетях с коммутацией каналов, мы придаем термину «канал» значение единицы пропускной способности.

Значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной способности для передачи ожидаемой предложенной нагрузки. Например, в традиционных телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала сегодня является скорость 64 Кбит/с - это минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса.

Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы - передачи анало­говой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис).

Амплитудаисходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счет этого про­исходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям - непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

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 .

Линии связи в сетях с коммутацией пакетов (как, впрочем, и в остальных типах компьютер­ных сетей) имеют разную пропускную способность , одни - большую, другие - меньшую. Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут возникнуть в разных фрагментах сети - чем ближе к центру сети, тем выше пропускная способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого количества периферийных линий связи.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов .

Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2,24 или 30 элементарных каналов, а линии, соединяющие коммутаторы, - 480 или 1920 каналов.

Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис.

Предположим, что эта сеть характеризуется элементарным каналом Р бит/с. В сети существуют линии связи разной пропускной способности, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. На рисунке по­казаны два абонента, A и B генерирующие во время сеанса связи (телефонного разговора) информационный поток , для которого в сети был предусмотрен маршрут , проходящий через четыре коммутатора S1, S2, S3 и S4. Предположим также, что интенсивность инфор­мационного потока между абонентами не превосходит 2Р бит/с. Тогда для обмена данны­ми этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных от пункта A к пункту В. На рисунке эти элементарные каналы, необходимые абонентам A и В , обозначены толстыми линиями.

Составной канал

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

В рассматриваемом примере для соединения абонентов A и В был создан составной канал «толщиной» в два элементарных канала. Если изменить наше предположение и считать, что предложенная нагрузка гарантированно не превысит Р бит/с, то абонентам будет достаточно иметь в своем распоряжении составной канал, «толщиной» в один элементарный канал. В то же время абоненты, интенсивно обменивающиеся данными, могут предъявить и более высокие требования к пропускной способности составного канала. Для этого они должны в каждой линии связи зарезервировать за собой большее (но непременно одина­ковое для всех линий связи) количество элементарных каналов.

Подчеркнем следующие 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.

В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи (обычная ситуация для телефонной сети, в которой одновременно передаются разговоры сотен и тысяч абонентов). Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов. Например (см. рис. выше), мы можем предположить, что после того как в линии связи S2-S3 было выделено два канала для связи абонентов A и В, оставшиеся три эле­ментарных канала были распределены между тремя другими сеансами связи, проходив­шимив это же время и через эту же линию связи. Такое мультиплексирование позволяет одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений.

Мультиплексирование означает , что абоненты вынуждены конкурировать за ресурсы, в данном случае за элементарные каналы. Возможны ситуации, когда некоторая проме­жуточная линия связи уже исчерпала свободные элементарные каналы, тогда новый сеанс связи, маршрут которого пролегает через данную линию связи, не может состояться.

Для того чтобы распознать такие ситуации, обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором сеанса связи (например, абонент А в нашей сети), посылает в коммутационную сеть запрос, представляющий собой сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента, например абонента В (В телефонной сети посылке запроса соответствует набор телефонного номера).

Цель запроса - проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. А для этого требуется соблюдение двух условий: наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от А к B, и незанятость вызываемого абонента в другом соединении.

Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной пары абонентов. При этом используются глобальные таблицы коммутации, ставящие в со­ответствие глобальному признаку потока (адресу вызываемого абонента) идентификатор выходного интерфейса коммутатора (как уже упоминалось, такие таблицы часто называют также таблицами маршрутизации).

Если в результате прохождения запроса от абонента А к абоненту В выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, происходит фиксация составного канала. Для этого во всех коммутаторах вдоль пути от A до B создаются записи в локальных таблицах коммутации , в которых указывается соответствие между локальными признаками пото­ка - номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи. Только после этого составной канал считается установленным, и абоненты A и B могут начать свой сеанс связи.

Таким образом, продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа:

В сеть поступает служебное сообщение - запрос, который несет адрес вызываемого абонента и организует создание составного канала.

По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для пере­дачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков - номеров элементарных каналов.

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. Например, если во время сеанса связи абонентов A и В абонент С пошлет запрос в сеть на установ­ление соединения с абонентом D , то он получит отказ, потому что оба необходимых ему элементарных канала, составляющих линию связи коммутаторов S3 и S4, уже выделены соединению абонентов A и В (рис.).

При отказе в установлении соединения сеть инфор­мирует вызывающего абонента специальным сообщением (Телефонная сеть в этом случае передает короткие гудки - сигнал «занято». Некоторые телефонные сети различают события «сеть занята» и «абонент занят», передавая гудки с разной частотой или используя разные тона ). Чем больше нагрузка на сеть, то есть чем больше соединений она в данный момент поддерживает, тем больше вероятность отказа в удовлетворении запроса на установление нового соединения.

Мы описали процедуру установления соединения в автоматическом динамическом режиме , основанном на способности абонентов отправлять в сеть служебные сообще­ния - запросы на установление соединения и способности узлов сети обрабатывать такие сообщения. Подобный режим используется телефонными сетями: телефонный аппарат генерирует запрос, посылая в сеть импульсы (или тоновые сигналы), кодирующие номер вызываемого абонента, а сеть либо устанавливает соединение, либо сообщает об отказе сигналами «занято».

Однако это - не единственно возможный режим работы сети с коммутацией каналов, существует и другой статический ручной режим установления соединения. Этот режим характерен для случаев, когда необходимо установить составной канал не на время одного сеанса связи абонентов, а на более долгий срок. Создание такого долговременного канала не могут инициировать абоненты, он создается администратором сети. Очевидно, что статический ручной режим мало пригоден для традиционной телефонной сети с ее короткими сеансами связи, однако он вполне оправдан для создания высокоскоростных телекоммуникационных каналов между городами и странами на более-менее постоянной основе.

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных coбытий в сети, то есть это технология, стремящаяся к детерминизму. 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. Затем эти каналы за­крепляются на все время сеанса для исключительного использования двумя абонентами и коммутируются в один непрерывный «трубопровод» (составной канал), имеющий «шлюзовые задвижки» на стороне каждого из абонентов. После этой исчерпывающей подготовительной работы остается сделать самое малое: «открыть шлюзы» и позволить информационному потоку свободно и без помех «перетекать» между заданными точками сети (рис.).

Неэффективность при передаче пульсирующего трафика

Сети с коммутацией каналов наиболее эффективно передают пользовательский трафик в том случае, когда скорость его постоянна в течение всего сеанса связи и максимально соответствует фиксированной пропускной способности физических линий связи сети Эффективность работы сети снижается, когда информационные потоки, генерируемые абонентами, приобретают пульсирующий характер.

Так, разговаривая по телефону, люди постоянно меняют темп речи, перемежая быстрые высказывания паузами. В результате соответствующие «голосовые» информационные по­токи становятся неравномерными, а значит, снижается эффективность передачи данных. Правда, в случае телефонных разговоров это снижение оказывается вполне приемлем и позволяет широко использовать сети с коммутацией каналов для передачи голосового трафика.

Гораздо сильнее снижает эффективность сети с коммутацией каналов передача так называемого компьютерного трафика , то есть трафика, генерируемого приложениями, с которыми работает пользователь компьютера. Этот трафик практически всегда является пульсирующим. Например, когда вы загружаете из Интернета очередную страницу, скорость трафика резко возрастает, а после окончания загрузки падает практически до нуля. Если для описанного сеанса доступа в Интернет вы задействуете сеть с коммутацией канал то большую часть времени составной канал между вашим компьютером и веб-сервером будет простаивать. В то же время часть производительности сети окажется закреплен за вами и останется недоступной другим пользователям сети. Сеть в такие периоды похожа на пустой эскалатор метро, который движется, но полезную работу не выполняет, другими словами, «перевозит воздух».

Для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика была специально разработана техника коммутации пакетов.

Коммутация пакетов

Сети с коммутацией пакетов, так же как и сети с коммутацией каналов, состоят из комму­таторов, связанных физическими линиями связи. Однако передача данных в этих сетях происходит совершенно по-другому. Образно говоря, по сравнению с сетью с коммута­цией каналов сеть с коммутацией пакетов ведет себя менее «ответственно». Например, она может принять данные для передачи, не заботясь о резервировании линий связи на пути следования этих данных и не гарантируя требуемую пропускную способность. Сеть с коммутацией пакетов не создает заранее для своих абонентов отдельных, выделенных исключительно для них каналов связи. Данные могут задерживаться и даже теряться по пути следования. Как же при таком хаосе и неопределенности сеть с коммутацией пакетов выполняет свои функции по передаче данных?

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами (Наряду с термином «пакет» используются также термины «кадр», «фрейм», «ячейка» и др. В данном контексте различия в значении этих терминов несущественны. В некоторых технологиях коммутации пакетов (например, в технологии виртуальных каналов) полная независимость обработки пакетов не обеспечивается ).

Каждый пакет снабжен заголовком (рис.), 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 одним 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.

В зависимости от конкретной реализации технологии коммутации пакетов пакеты могут иметь фиксированную или переменную длину, кроме того, может меняться состав инфор­мации, размещенной в заголовках пакетов. Например, в технологии ATM пакеты (назы­ваемые там ячейками) имеют фиксированную длину, а в технологии Ethernet установлены лишь минимально и максимально возможные размеры пакетов (кадров).

Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и не с фикси­рованной заранее заданной скоростью , как это делается в сетях с коммутацией каналов, а в том темпе, в котором их генерирует источник. Предполагается, что сеть с коммутацией пакетов, в отличие от сети с коммутацией каналов, всегда готова принять пакет от конеч­ного узла.

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 на основании информации, содержащейся вих заголовках, а также в таблице коммутации (рис.).

.

ПРИМЕЧАНИЕ

Процедура резервирования пропускной способности может применяться и в пакетных сетях. Однако основная идея такого резервирования принципиально отличается от идеи резервирования про­пускной способности в сетях с коммутацией каналов. Разница заключается в том, что пропускная способность канала сети с коммутацией пакетов может динамически перераспределяться между информационными потоками в зависимости от текущих потребностей каждого потока, чего не мо­жет обеспечить техника коммутации каналов.

Пакеты, принадлежащие как одному и тому же, так и разным информационным потокам, при перемещении по сети могут «перемешиваться» между собой, образовывать очереди и «тормозить» друг друга. На пути пакетов могут встретиться линии связи, имеющие раз­ную пропускную способность. В зависимости от времени суток может сильно меняться и степень загруженности линий связи. В таких условиях не исключены ситуации, когда пакеты, принадлежащими одному и тому же потоку, могут перемещаться по сети с разны­ми скоростями и даже прийти к месту назначения не в том порядке, в котором они были отправлены.

Разделение данных на пакеты позволяет передавать неравномерный компьютерный трафик более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов. Это объясняется тем, что пульса­ции трафика от отдельных компьютеров носят случайный характер и распределяются во времени так, что их пики чаще всего не совпадают. Поэтому когда линия связи передает трафик большого количества конечных узлов, то в суммарном потоке пульсации сглажи­ваются, и пропускная способность линии используется более рационально, без длительных простоев. Это эффект иллюстрируется рис. ниже, на котором показаны неравномерные по­токи пакетов, поступающие от конечных узлов 3,4 и 10 в сети, изображенной на рис. выше.

Предположим, что эти потоки передаются в направлении коммутатора 8, а следовательно, накладываются друг на друга при прохождении линии связи между коммутаторами 5 и 8. Получающийся в результате суммарный поток является более равномерным, чем каждый из образующих его отдельных потоков.

Буферизация пакетов

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

Главное отличие пакетных коммутаторов (Для простоты будем далее называть коммутаторы сетей с коммутацией пакетов «пакетными коммутаторами» ) от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов,

Действительно, пакетный коммутатор не может принять решения о продвижении пакета, не имея в своей памяти всего пакета. Коммутатор проверяет контрольную сумму, и только если она говорит о том, что данные пакета не искажены, начинает обрабатывать пакет и по адресу назначения определяет следующий коммутатор. Поэтому каждый пакет последова­тельно бит за битом помещается во входной буфер. Имея в виду это свойство, говорят, что сети с коммутацией пакетов используют технику сохранения с продвижением (store-and- forward). Заметим, что для этой цели достаточно иметь буфер размером в один пакет.

Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи подключенных к его интерфейсам. Действительно, если скорость поступления пакетов из одной линии связи в течение некоторого периода превышает пропускную способность той линии связи, в которую эти пакеты должны быть направлены, то во избежание потерь пакетов на целевом интерфейсе необходимо организовать выходную очередь (рис.).

Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации. Если коммутирующий блок не успевает обрабатывать пакеты (анализировать заголовки и перебрасывать пакеты на нужный ин­терфейс), то на интерфейсах коммутатора возникают входные очереди. Очевидно, что для хранения входной очереди объем буфера должен превышать размер одного пакета. Существуют различные подходы к построению коммутирующего блока. Традиционный способ основан на одном центральном процессоре, который обслуживает все входные очереди коммутатора. Такой способ построения может приводить к большим очередям, так как производительность процессора разделяется между несколькими очередями. Со­временные способы построения коммутирующего блока основаны на многопроцессорном подходе, когда каждый интерфейс имеет свой встроенный процессор для обработки пакетов Кроме того, существует центральный процессор, координирующий работу интерфейсных процессоров. Использование интерфейсных процессоров повышает производительность коммутатора и уменьшает очереди во входных интерфейсах. Однако такие очереди все равно могут возникать, так как центральный процессор по-прежнему остается «узким местом".

Поскольку объем буферов в коммутаторах ограничен, иногда происходит потеря пакетов из-за переполнения буферов при временной перегрузке части сети, когда совпадают периоды пульсации нескольких информационных потоков. Для сетей с коммутацией пакетов потеря пакетов является обычным явлением, и для компенсации таких потерь в данной сетевой технологии предусмотрен ряд специальных механизмов, которые мы рассмотрим позже.

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 том, что все передаваемые пакеты продвигаются (передаются от одного узла сети другому) независимо друг от друга на основании одних и тех же правил, процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе и текущим состоянием сети (например, в зависимости от ее нагрузки пакет может стоять в очереди на обслуживание большее или меньшее время). Однако никакая информация об уже вырезанных пакетах сетью не хранится и в ходе обработки очередного пакета во внимание не принимается. То есть каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи - дейтаграмма .

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.