Nesterenko / 11 Анализ сети на основе их математических моделей

пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Коммутация каналов Коммутация каналов применяется как в аналоговых сетях связи (с пространственным

разделением каналов), так и в цифровых сетях связи (в основном, с синхронным временным разделением каналов).

Коммутация каналов (КК) – это совокупность операций, обеспечивающая образование сквозного составного физического канала связи из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи сообщений (информации) между оконечными абонентскими устройствами через узлы коммутации.

Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые устанавливаются на узлах коммутации сети.

Главным, определяющим для КК является то, что сначала между ОУ образуется физический сквозной канал на все время передачи сообщения, а затем по нему осуществляется передача информации. В случае невозможности образования сквозного канала из-за занятости, неисправности каналов или устройств коммутации, вызывающий абонент получает отказ в обслуживании и должен повторить заявку на соединение (система обслуживания с отказами). При этом сообщение, подлежащее передаче, хранится это время в его памяти или в абонентском терминале (АТ). Таким образом, при КК не требуется накопления информации на узлах коммутации, однако подлежащая передаче информация в процессе установления соединения хранится у абонента или в его АТ, т.е. память – индивидуальная, децентрализованная.

Достоинства метода КК являются:

возможность организации диалога в реальном масштабе времени;

сравнительная простота коммутационного оборудования, построенного по принципу пространственной коммутации.

Основным недостатком сети с КК является низкое использование пропускной способности канала, характерное для систем обслуживания с отказами (коэффициент использования пропускной способности канала Кэ составляет не более 0.5).

Метод КК эффективен при передаче больших объемов информации, когда ТФУС < ТФП, поэтому широко применяется в сетях телефонной связи, представляющих пользователям возможность диалоговой связи.

Коммутация сообщений В сети с коммутацией сообщений (КС) отправитель (абонентский терминал) передает полное

сообщение (целиком) в ближайший узел коммутации, где оно запоминается, ставится в очередь, а затем передается в следующий узел коммутации сети. Если сообщение нельзя передать немедленно, оно хранится в буферной памяти узла коммутации. По мере освобождения каналов сообщение поэтапно, от узла к узлу, передается на вызываемый терминал получателя.

Таким образом, способ коммутации сообщений состоит в последовательной передаче сообщения по участкам тракта с накоплением сообщения в узлах (центрах) коммутации сообщений

(ЦКС).

Достоинства метода КС:

1.Повышение эффективности использования каналов на магистральных СЛ между ЦКС сети.

2.Предоставление услуг, реализация которых в сетях с КК весьма сложна (приоритетное обслуживание различных классов абонентов, многоадресная и циркулярная передача, задержанная доставка сообщений, преобразование скоростей, кодов и форматов взаимодействующих ОУ, регистрация проходящих сообщений).

3.Использование в сетях с КС мощных способов повышения достоверности передачи.

4.Устойчивость сетей с КС к перегрузкам. Недостатки метода КС:

1.Требуется иметь на каждом ЦКС запоминающее устройство, емкость которого очень велика.

2.Это приводит к тому, что практически во всех случаях время доведения сообщения при КС

больше, чем при КК. Проигрыш перед КК тем заметнее, чем больше длина передаваемого сообщения, число транзитных ЦКС и их загрузка.

3.Время задержки в сетях с КС является величиной переменной и носит случайный характер (что определяется принципом переприема с накоплением). На величину задержки влияют следующие факторы: пропускная способность каналов, производительность ЦКС и интенсивность потока поступающей нагрузки.

4.Невозможность организации диалога между пользователями в реальном масштабе времени. Метод КС целесообразно использовать при асинхронной передаче с высокой скоростью

сравнительно коротких сообщений при малой допустимой вероятности их искажений, небольшой загрузке сети и минимальном числе транзитных ЦКС в пути. По этой причине сети с КС ориентированы на передачу низкоскоростных данных и телеграфных сообщений.

Коммутация пакетов Метод коммутации пакетов (КП) по своей идеологии совпадает с коммутацией сообщений и

отличается лишь тем, что каждое сообщение, длина которого превышает определенную величину, делится на несколько небольших частей (отрезков) строго определенного размера. Каждая такая часть снабжается собственным заголовком, содержащим адресную и служебную информацию, и становится пакетом – самостоятельной кодограммой. Пакеты так же, как и сообщения, коммутируются с небольшими задержками в узлах коммутации и передаются последовательно по участкам сети в соответствии с содержащимся в каждом пакете адресным признаком.

Характерной особенностью метода коммутации пакетов является то, что паузы при передаче пакетов одних пользователей заполняются пакетами других пользователей, в результате чего каждая ветвь магистральной сети между центрами коммутации используется очень эффективно. При этом канальный ресурс сети не закрепляется жестко за абонентами, между каждой парой пользователей сети на время сеанса создается виртуальное (логическое) соединение, которое может предоставляться на отдельных участках одновременно многим пользователям за счет статистического уплотнения. В этом заключается принципиальное отличие виртуального канала от физического.

Пакеты одного сообщения передаются по сети, как только оказывается свободен какой-либо из возможных путей по маршруту установления соединения. При передаче пакета по каналу данных между двумя смежными узлами сети к нему добавляется заголовок канального уровня и поле проверочной комбинации, действующие только в пределах данного канала. Пакеты с такими добавками называются кадрами. Во входящем узле назначения все пакеты собираются в исходное сообщение.

Пакеты могут передаваться по сети коммутации пакетов с использованием дейтаграммного или виртуального режима.

Врежиме дейтаграммной передачи каждый пакет, называемый дейтаграммой, содержит адрес абонентского пункта или ЭВМ. Дейтаграмма передается без предварительной фазы установления соединения и обрабатывается в сети как самостоятельное сообщение. Каждый пакет передается по сети независимо от всех предыдущих и последующих пакетов, маршрут передачи зависит от текущего состояния сети.

Всвязи с этим дейтаграммный режим имеет следующие достоинства:

1.за счет параллельной передачи пакетов небольшой длины по различным путям достигается существенное сокращение времени доставки по сравнению с КС. В то же время, как и в КС, обеспечивается высокий коэффициент эффективности использования пропускной способности каналов;

2.снижаются потребности в большом объеме ЗУ на центрах коммутации;

3.благодаря адаптивному перераспределению нагрузки с учетом состояния сети обеспечивается относительно малое время задержки при передаче пакетов;

4.появляется возможность реализации диалогового обмена речевыми сообщениями;

5.легко реализуются все виды услуг для пользователя.

Однако дейтаграммный режим имеет следующие недостатки:

1.нарушение порядка прибытия дейтаграмм длинного сообщения в ОУ, что требует задержки и сортировки (сшивки) пакетов в нужной последовательности;

2.возможная блокировка пакетов из-за отсутствия предварительного резервирования памяти в ОУ пользователя, что приводит к перегрузке памяти ЦКП сети;

3. наличие тупиковых ситуаций, вызываемых состязанием различных процессов за обладание сетевыми ресурсами, когда поток поступающих в сеть пакетов превышает допустимый. Перегрузка сети приводит к циркуляции дейтаграмм, которые не могут быть переданы в ОУ из-за отсутствия свободной памяти в ЦКП сети.

Не смотря на то, что метод дейтаграммной передачи пакетов не получил распространения на сетях передачи данных, в частности стандарта X.25, он сохраняется как важная особенность других стандартов сетей с КП, прежде всего, стандартов локальных вычислительных сетей, разработанных Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE (стандарт 802–IEEE).

Виртуальный режим коммутации пакетов. Между отправителем и получателем организуется так называемый виртуальный канал (термин предложен МККТТ для определения логического соединения между ООД отправителя и ООД получателя).

Организация виртуального канала следующая. В оперативной памяти ЦКП, через которые проходит данный виртуальный канал, резервируются буферные зоны для промежуточного накопления пакетов. Последовательность таких буферных зон образует виртуальный канал (ВК). Таким образом, логический или виртуальный канал – это канал, за которым не закрепляется постоянно определенная величина канального ресурса (например, временной канальный интервал в цикле), т.е. ресурсы физического канала (линии) являются общими для всех логических каналов, образованных в этой линии.

С точки зрения пары пользователей, предоставляемый им ВК является единой четырехпроводной линией, эквивалентной дуплексному тракту, выделяемому данной паре абонентов при КК. Однако принципиальным отличием ВК от физического соединения тракта при КК является то, что сквозной канал в сети с КК недоступен другим абонентам, даже если по нему ничего в данный момент не передается. Логическое виртуальное соединение допускает его использование любой другой группой активных абонентов путем статистического уплотнения (разделения).

Принцип статистического разделения при передаче пакетов по логическим каналам показан на рис.7.

– информация абонентов 1 и 4

– информация абонентов 2 и 5

– информация абонентов 3 и 6

Рис.7.Статистическое разделение при передаче пакетов по логическим каналам

Статистическое разделение эффективнее частотного или временного в том случае, если нагрузка имеет пульсирующий характер, поскольку при жестком закреплении канал в паузах передачи простаивает, а в случае логического соединения по этому каналу можно передавать пакеты других пользователей. Именно по этой причине коммутация пакетов оказалась наиболее подходящей для сетей ЭВМ, в которых происходит прерывистый (интерактивный) обмен пакетами между терминалами пользователей.

Главным достоинством виртуального канала является сохранение порядка поступления пакетов в приемное ОУ пользователя, т.е. естественная последовательность передачи и приема данных. Виртуальное соединение основывается на передаче всех пакетов данных по одному маршруту в строгой последовательности. Это реализуется предварительным установлением соединения по всему маршруту передачи. В фазе установления соединения от отправителя до получателя передается специальный пакет – запрос на соединение, который и определяет маршрут (виртуальное соединение). Пакеты, передаваемые по данному логическому каналу, следуют строго в

порядке их нумерации и имеют сокращенный заголовок. На приеме также требуется ”сшивание” пакетов в сообщение, так как между пакетами одного сообщения могут передаваться другие пакеты, однако проводить упорядочивание пакетов в этом случае не требуется.

При передаче в виртуальном режиме различают вре’менное виртуальное соединение и постоянный виртуальный канал.

Постоянный виртуальный канал (ПВК) между двумя пользователями организуется на определенное время, не связанное с длительностью сеанса. Этот ПВК, так же, как и выделенные каналы в сетях ТфОП, организуется по соглашению с администрацией сети в тех случаях, когда ожидается постоянное обращение к этому каналу или передача больших массивов информации. ПВК не требует процедур установления соединения, а логический канал постоянной находится в активном состоянии. При посылке пакета вызова в сеть в нем содержится идентификационный код, указывающий, что данный ООД имеет постоянный виртуальный канал с принимающим ООД.

В режиме виртуального соединения (ВС), наиболее распространенного в сетях передачи данных, указанное соединение устанавливается только на время передачи сообщения по запросу пользователя, аналогично установлению соединения в сети с КК (фаза установления соединения по ВК – установка вызова, фаза передачи пакетов, фаза разъединения ВК – очистка вызова). Отличие заключается только в том, что пакеты запроса на соединение, подтверждения и другие служебные пакеты являются короткими, а возможное число ВК очень велико, поэтому потери при передаче служебной информации в ВК ничтожны.

Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем дейтаграммным способом. Однако большинство пользователей вычислительных сетей и сетей передачи данных считают необходимым сохранение последовательности приема пакетов для упрощения прикладных программ. Поэтому виртуальные каналы рассматриваются как эффективное средство при распределенной обработке данных и реализуются в подавляющем большинстве вычислительных сетей. В то же время важнейшим преимуществом режима дейтаграмм является возможность передачи пакетов одного и того же сообщения одновременно по нескольким путям, что сокращает общее время доставки, обеспечивает высокую надежность доставки в условиях отказов отдельных элементов сети. Кроме того, режим дейтаграмм позволяет обеспечить более гибкую маршрутизацию пакетов.