Методы коммутации в сетях

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

Признаки сетей с динамической коммутацией:

• Соединение устанавливается по инициативе пользователя сети.

• Соединение организуется на время сеанса связи, и затем по инициативе одного из пользователей, разрывается.

• В общем случае допустима организация соединения между любыми пользователями сети.

• 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:

• Соединение заказывается и оплачивается пользователем на длительный период времени.

• Соединение устанавливается персоналом, обслуживающим сеть.

• Период постоянной коммутации обычно составляет несколько месяцев.

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. При этом на время сеанса связи для пары взаимодействующих точек занимаются некоторые ресурсы сети – абонентские линии, линии или 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 по организованному каналу 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 информации по установленному каналу;

3. низкий и постоянный уровень задержки передачи данных.

Основные недостатки:

1. сеть может отказать 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;

3. невозможно динамически перераспределять пропускную способность канала связи между разными соединениями;

4. 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).

КОММУТАЦИЕЙ СООБЩЕНИЙ называется совокупность операций по приему узлом коммутации целого сообщения (файла, блока данных), хранению принятого сообщения в постоянной памяти узла и последующей передачи сообщения дальше по сети 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 установленного формата и передается полностью в ближайший узел коммутации сообщений УКС. Принятые узлом сообщения хранятся в устройствах долговременной памяти ВЗУ (внешние запоминающие устройства), емкость которых теоретически не ограничена. 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, 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 и загрузки линии в нужном направлении.

3. Время передачи сообщения вместе с заголовком в виде адреса t_пер , которое зависит от размера сообщения W (байт) плюс заголовок сообщения h_m 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 С в третьем случае;

• равной С/1,5 – во втором случае;

• равной (0,5-0,6)С - в первом случае.

Основные недостатки сети с КС следующие:

• 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 при помощи буферизации из-за большой дисперсии 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. В периоды всплеска нагрузки в сети сообщения хранятся в памяти узлов неограниченно долго и передаются по мере освобождения линий в нужном направлении. Длина очереди сообщений, ожидающих передачи, не ограничена.

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. Средняя интенсивность трафика, создаваемого приложением, за некоторый период времени и максимальная интенсивность могут отличаться в 100 раз. 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.

При КП длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты. Максимальный размер пакета определяется используемой сетевой технологией канального уровня.

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 коммутаторов.

Рассмотрим временную диаграмму передачи сообщения через сеть с КП.

На рисунке учтено время распространения сигнала на каждом участке сети, время передачи пакетов П1 и П2 на каждом участке и время задержки пакетов в узлах.

Различают два режима передачи пакетов: режим виртуальных соединений и дейтаграммный режим. В первом случае все пакеты одного сообщения (информационного потока) передаются по одному и тому же маршруту – виртуальному соединению между двумя точками сети – на рисунке Комп-1 и Комп-2.

Если передача пакетов, принадлежащих одному сообщению, производится независимо друг от друга, то есть каждый пакет движется в сети самостоятельно, то в сети используется дейтаграммный режим передачи пакетов.

Режим виртуальных соединений

Виртуальное соединение - это логическое соединение, которое существует только в памяти узла коммутации пакетов и представляет собой запись в маршрутной таблице, которая определяет, по какому исходящему физическому каналу (номер выходного интерфейса коммутатора) и с каким логическим номером (число, метка потока) надо отправлять поступивший в узел пакет.

В сети с виртуальными соединениями или виртуальными каналами от Компьютера-источника к Компьютеру-получателю сначала направляется служебный пакет (Запрос), прокладывающий виртуальное соединение в сети. Этот пакет, проходя по сети, организует маршрут передачи пакетов с данными от источника до получателя. Пакет содержит адрес получателя, адрес источника (поле А) и другую служебную информацию. В оперативной памяти каждого узла коммутации пакетов УКП, через который проходит служебный пакет, резервируется буферная зона для промежуточного накопления пакетов данных, которые будут передаваться по данному виртуальному соединению. В маршрутной таблице МТ каждого узла УКП служебный пакет оставляет распоряжение, имеющее следующий смысл: пакеты, имеющие в заголовке логический номер (номер виртуального канала) K, поступающие по входящей физической линии a, следует направлять в исходящую физическую линию b и присвоить им номер виртуального канала L. Номера виртуальных каналов уникальны в пределах данного узла (локально).

На каждом звене данных в сети, (между Узлами КП или между оконечной системой и УКП) имеет место свой номер виртуального канала, который устанавливает отправитель пакета на этом участке. Таким образом, виртуальное, то есть условное логическое соединение существует только в памяти узла коммутации. Практически в одном физическом канале может быть организовано несколько сот и даже тысяч виртуальных каналов.

Дойдя до получателя (Хост-2) служебный пакет запрашивает разрешение на передачу и сообщает, какой объем памяти потребуется для приема данных. В обратную сторону, по тому же маршруту отправляется служебный пакет с подтверждением (Подтв), который организует маршрут передачи данных обратного направления. Получив положительное подтверждение, Хост-1 приступает к передаче сообщения пакетами, которые в адресной части содержат только номер виртуального канала. Пакеты проходят один за другим по виртуальному соединению и поступают в Хост-2 в том же порядке, как были отправлены.

Виртуальное соединение существует до тех пор, пока одна из машин не отправит служебный пакет разъединения, который сотрет инструкции по данному соединению в памяти узлов.

Различают постоянные виртуальные соединения PVC, которые не разрываются месяцами, и коммутируемые виртуальные соединения SVC, создаваемые на время одного сеанса связи.

Дейтаграммный режим

Термин "дейтаграмма" используют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося в сети независимо от других пакетов данного сообщения. У каждой дейтаграммы должен быть полный адрес доставки. Получив дейтаграмму, узел коммутации пакетов УКП направляет ее по исходящему каналу в смежный узел, максимально приближенный (в смысле временных задержек) к получателю, и ожидает подтверждения получения. Если подтверждение не получено, дейтаграмма будет отправлена в другой смежный узел, и так до тех пор, пока пакет не будет принят. Существуют различные алгоритмы выбора направления дальнейшей передачи пакета (алгоритмы маршрутизации). Все они направлены на минимизацию среднего времени доставки пакета. В дейтаграммных сетях обязательно используется механизм контроля пребывания пакета в сети - параметр время жизни пакета в сети, например, Т=5. Каждый раз при переходе пакета через узел (маршрутизатор) или нахождении в очереди, например, более 10 с, значение Т уменьшается на единицу. При значении Т=0 пакет стирается, то есть удаляется из сети.