Методы коммутации в сетях

Различают два вида соединений в сетях: долговременные (постоянные, кроссовые) и оперативные. В соответствии с этим различают постоянную и динамическую (оперативную) коммутацию.

Признаки сетей с динамической коммутацией:

• Разрешается устанавливать соединение по инициативе пользователя сети.

• Коммутация выполняется на время сеанса связи, и затем по инициативе одного из пользователей соединение разрывается.

• В общем случае пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем.

• Время сеанса связи составляет от нескольких секунд до нескольких часов.

Пример: сети ТФ-ОП, локальные сети, сети с архитектурой TCP/IP.

Признаки сетей с постоянной коммутацией:

• Сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени.

• Соединение устанавливается персоналом, обслуживающим сеть.

• Период постоянной коммутации обычно составляет несколько месяцев.

Режим постоянной (permanent) коммутации в сетях с коммутацией каналов называют сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов. При этом подразумевается режим ручного конфигурирования каждого коммутатора.

Если долговременное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его называют полупостоянным соединением (semi-permanent).

Пример: сети с технологией SDH.

Сети с технологией Х.25 и АТМ поддерживают оба режима работы.

Различают 3 основных метода коммутации в узлах сети: коммутацию каналов (КК), коммутацию сообщений (КС), коммутацию пакетов (КП).

КОММУТАЦИЕЙ КАНАЛОВ называют совокупность операций, выполняемых коммутаторами для получения составного физического канала связи между двумя точками сети.

Таким образом, при коммутации каналов сначала в сети организуется физический канал для передачи информации, а затем осуществляется передача. При этом на время сеанса связи для пары взаимодействующих точек занимаются некоторые ресурсы сети – абонентские линии, каналы связи между узлами сети, аппаратура, создающая точки коммутации в узлах. Эти ресурсы не могут использоваться для обеспечения других соединений в сети в течение сеанса связи, независимо от того, ведется передача информации в данный момент или нет.

Структурная схема организации соединения при кк

Участок коммутируемого доступа в сеть Интернет

Временная диаграмма организации сеанса связи между абонентскими пунктами в сети КК

Обозначение сигналов на диаграмме:

В -вызов; П -подтверждение вызова; Н -адрес в сети (номер) вызываемого абонента; С -установить соединение; О -отбой

Абонент сети с КК Комп.-1 передает на ближайший узел коммутации каналов УКК-1 сигнал вызова и получает от него сигнал подтверждения, разрешающий передачу в сеть адреса (номера) вызываемого абонента. Затем Комп.-1 передает номер вызываемого абонента (Сервер доступа). УКК-1 организует временное физическое соединение через сеть с УКК-3, к которому подключен вызываемый абонент. УКК-3 передает сигнал вызова вызываемому абоненту и, получив от него сигнал подтверждения, передает через сеть в обратном направлении сигнал установления соединения. Далее между абонентами происходит обмен информацией. По окончании сеанса связи один из абонентов передает сигнал отбоя, в соответствии с которым установленное физическое соединение разрушается.

Основным достоинством этого метода коммутации является:

1. обеспечение диалога между пользователями;

2. постоянная и известная скорость передачи данных по установленному каналу;

3. низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть, что позволяет с высоким качеством передавать данные, чувствительные к задержкам (трафик реального времени) – голос, видео.

Основные недостатки:

1. отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения из-за недоступности необходимых ресурсов сети на любом участке или отказа вызываемого абонента поддержать соединение;

2. низкое использование пропускной способности физических каналов связи из-за наличия пауз внутри информационных потоков и невозможность динамического перераспределения пропускной способности;

3. обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Узлы с коммутацией каналов обслуживают поступающие вызовы по системе с отказами. Показателем качества обслуживания является процент отказов (или процент потерянных вызовов).

Коммутация сообщений относится к коммутации с накоплением. Коммутацией сообщений называется совокупность операций по приему узлом коммутации целого сообщения (файла, блока данных), хранению принятого сообщения в памяти узла и последующей передачи в соответствии с содержащимся в нем адресом. Таким образом, сообщение поэтапно, с переприемом, передается через ряд узлов в пункт назначения.

Каждое передаваемое сообщение снабжается заголовком (адресом) А и передается полностью в ближайший узел коммутации сообщений УКС. Принятые узлом сообщения хранятся в устройствах долговременной памяти ВЗУ (внешние запоминающие устройства), емкость которых теоретически неограничена. УКС анализирует адресную часть, выбирает направление дальнейшей передачи, извлекает сообщение из памяти и передает его по одному из свободных каналов нужного направления.

Структурная схема передачи сообщения через сеть с КС

Временная диаграмма передачи сообщения через сеть с КС

На временной диаграмме учтены следующие задержки:

1. Задержки сообщения, обусловленные конечным временем распространения сигналов в физической среде передачи между узлами. Время распространения сигнала T_распр на каждом участке маршрута передачи данных зависит от типа физической линии связи – среды передачи и от длины участка Sкм.

2. Время задержки сообщения в узлах Т_ожид, которое зависит от загрузки процессора в узле коммутации загрузки линии в нужном направлении.

3. Время передачи сообщения вместе с заголовком в виде адреса t_пер , которое зависит от размера сообщения W (байт) и скорости передачи информации V бит/с на данном участке.

В практическом задании рассматривается сеть, содержащая три типа линий связи:

1. Кабельные линии на основе медной витой пары

2. Оптоволоконные линии

3. Спутниковые линии связи через геостационарный спутник, который выполняет побитную ретрансляцию сигнала.

Скорость распространения сигналов можно принять равной скорости света в вакууме для 2 и 3 случаев, и равной 0,7 скорости света в первом случае.

Основные недостатки сети с КС следующие:

• Так как размер сообщения в сети не ограничен и может быть значительным, величина задержки сообщения в сети (период времени от начала передачи сообщения Хостом 1 до конца приема сообщения Хостом 2) имеет случайный характер и большой разброс относительно среднего значения.

• Невозможно организовать квазидиалог между пользователями из-за больших задержек сообщения в сети.

Основное достоинство сети с КС заключается в высоком использовании пропускной способности каналов связи, так как в узлах УКС организуется очередь исходящих сообщений, и в устойчивости сети к перегрузкам.

УКС обслуживает поступающие вызовы по системе с ожиданием. Вероятность того, что поступивший вызов застанет все исходящие линии нужного направления занятыми и будет ожидать обслуживания некоторое время больше нуля Р(t>0) является основной характеристикой качества обслуживания в системе с ожиданием.

МЕТОД КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ КП

Был специально разработан для эффективной передачи информации между вычислительными машинами через телекоммуникационную сеть. Типичные сетевые приложения создают трафик очень неравномерно. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети достигает отношений 1:50 - 1:100. Так отличаются средняя интенсивность трафика за некоторый период времени и максимальная интенсивность. Поэтому, использовать коммутацию каналов для организации физического канала между компьютерами неэффективно, так как канал будет простаивать в периоды пауз при передаче данных. Коммутация сообщений при передаче длинных файлов объемом несколько Мбайт ведет к большим задержкам сообщения в сети. Коммутация пакетов соединяет в себе преимущества коммутации сообщений и коммутации каналов.

Этот метод отличается от КС тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты.

Пакет (по МСЭ-Т) - это набор двоичных символов, включающий в свой состав данные, информацию для управления соединением и контроля ошибок, и имеющий строго определенный формат.

Пакеты тоже могут иметь переменную длину, но в гораздо более узких пределах: от 50 до 1500 Байт. Пакеты транспортируются в сети, как независимые информационные блоки и собираются в сообщение в узле назначения. Коммутаторы пакетной сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора занят передачей другого пакета. Буферизация сглаживает пульсации трафика на магистральных каналах между узлами до значений 1:10 – 1:2.

На эффективность работы сети сильно влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие пакеты приближают сеть к сети с коммутацией сообщений. Время задержки в сети увеличивается, эффективность сети падает. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации (накладные расходы), так как каждый пакет имеет заголовок фиксированной длины.

Перечислим достоинства сетей с коммутацией 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 потребностями их трафика.

Недостатки сети с КП:

1. Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети;

2. Переменная величина задержки пакетов;

3. Возможные потери данных из-за переполнения буферной памяти.