2.2. Коммутация каналов

Типичная структура сети с коммутацией каналов (Слайд 5) - четыре коммутатора соединены между собой линиями связи. Каждая из линий способна одновременно поддерживать п каналов связи. Хосты (персональные ком­пьютеры, рабочие станции и т. п.) напрямую соединены с одним из коммутаторов. Между парами хостов устанавливается выделенное сквозное соединение (конференционные соединения, позволяющие общаться одновременно мно­жеству абонентов, в подобных сетях также возможны, но при использовании дополнительных технологий). Т.е., чтобы один хост имел возможность передавать пакеты другому хос­ту, необходимо зарезервировать одну полосу частот на каждой из двух линий связи, соединяющих эти хосты. Поскольку каждая линия связи способна поддерживать одновременно n каналов связи, ширина полосы канала связи составля­ет Vn часть от полосы пропускания линии связи.

2.3. Мультиплексирование в сетях с коммутацией каналов

Каждый канал связи в линии связи организовывается по одному из вариантов:

1. Частотное разделение - каждому каналу связи отводится определен­ная полоса частот, которая не изменяется в течение всего сеанса связи. Например, для телефонных сетей типичной шириной полосы пропускания является 4 кГц. Радиостан­ции, работающие в FM-режиме, также используют принцип частотного разделения. В настоящее время частотное разделение в телефонии заменяется временным разделением. Большинство технологически развитых телефонных сетей использует принцип временного разделения каналов

2. Временное разделение - время разбивается на равные промежутки, называемые кадрами, а каждый кадр делится на фиксированное число слотов. Выделение канала связи заключается в закреплении за парой абонентов одного временного слота в каждом кадре. Внутри этого слота происходит монопольная передача пакетов между абонентами по линии связи.

Пример - функционирование линии связи, поддерживающей четыре канала, для случаев частотного и временного разделения (Слайд 6) - при частотном разделении полоса пропускания линии связи делится на 4 равные диапазона по 4 кГц. При временном разделении время делится на кадры, в каждом из которых имеются 4 слота; за каждым каналом связи закреплен один из этих слотов. Ско­рость передачи для временного разделения равна произведению частоты следова­ния кадров и числа битов внутри каждого слота. Например, если частота следова­ния кадров составляет 8000 кадров в секунду, а слот включает 8 бит, то скорость передачи по каналу связи будет составлять 64 Кбит/с.

Недостатки сетей с коммутацией каналов:

• выде­ленные каналы связи нельзя освободить в периоды простоя,

• необходимость сложного сигнального оборудования для управления коммутациями и выделения частотных полос каналам связи.

2.4. Коммутация пакетов

Как было сказано выше, для решения поставленных задач обмена информацией приложения обмениваются друг с другом сообщениями. Их содержание и фун­кции определяются разработчиком протокола. Сообщения могут выполнять контролирующую функцию, содержать текстовую информацию (электронное письмо) или файл с изображе­нием, звуком и т. п. В современных компьютерных сетях происходит автоматичес­кое разбиение больших по объему сообщений на более мелкие фрагменты, называемые пакетами.

Пакет является единицей передачи данных. При передаче пакет проходит через последовательность линий связи и коммутаторов, обычно называ­емых маршрутизаторами. Передача пакета по линии связи осуществляется моно­польно, то есть с максимальной скоростью, которую способна обеспечить линия связи. Большинство маршрутизаторов используют механизм передачи с промежуточным накоплением: перед тем, как начать передачу в выходную линию связи, маршрутизатору необходимо завершить процесс приема пакета в буфер.

Таким образом, в маршрутизаторах возникает задержка накопления, обус­ловленная необходимостью ожидания окончания приема пакета. Ее время пропорционально длине пакета: если пакет длиной L бит необходимо передать в выходную линию связи, обладающую скоростью R бит/сек, то время за­держки накопления составит L/R сек.

Каждый маршрутизатор имеет множество входных и выходных линий связи. Каж­дая выходная линия связи имеет буфер, называемый выходным буфером, или вы­ходной очередью. В выходном буфере хранятся все пакеты, предназначенные для передачи по линии связи. Буферы играют ключевую роль в механизме коммута­ции пакетов. Если при окончании приема пакета обнаруживается, что линия свя­зи занята, то пакет ставится в очередь в выходном буфере. Таким образом, кроме задержки накопления в маршрутизаторах присутствует задержка ожидания - переменная величина, зависящая от загрузки ли­нии связи. Поскольку размеры буферов ограничены, может возникнуть ситуация, когда свободного места в буфере окажется недостаточно для помещения нового пакета. В этом случае произойдет потеря пакета — будет утрачен либо новый па­кет, либо один из пакетов, находящихся в очереди.

Пример (Слайд 7) - структура простой сети с коммутацией пакетов (длина пакетов одинакова) Хосты А и В посылают пакеты хосту Е, при этом связь хостов А и В с первым маршрутизатором осуществляется с помощью линий связи Ether­net со скоростью 10 Мбит/с. Маршрутизатор направляет пакеты в линию связи со скоростью 1,5 Мбит/с. Если линия перегружена, пакеты ожидают ее освобож­дения в очереди. При одновременной передаче пакетов хостами А и В ввиду отсутствия синхронизации между хостами нельзя заранее предсказать порядок передачи пакетов. Эту особенность называют статистическим мультиплексированием. Оно, по сути, противоположно временному разделению в технологии коммутации пакетов, когда за каждым каналом связи закреплен определенный слот в каждом времен­ном кадре.

Время, необходимое для пересылки пакета длиной L бит между хостами при коммутации пакетов определяется так:

• число линий связи между хостами равно Q,

• каждая линия связи обеспечивает скорость пе­редачи R бит / сек.

• для простоты расчета - задержки ожидания и распрос­транения в сети отсутствуют и времени на установление соединения не требуется

• сначала происходит передача пакета по первой линии связи, время которой со­ставляет L / R сек;

• аналогичным образом пакет пересылается по Q — 1 линии связи,

• общее время пересылки составляет Q * L / R сек.