3.3. Сети передачи данных
Сеть передачи данных является основой глобальных и региональных компьютерных сетей и, как уже отмечалось, представляет собой совокупность каналов передачи данных и узлов коммутации. Исторически сложилось, так что системы передачи данных первых компьютерных сетей, как и систем телеобработки, создавались на базе аналоговых телефонных сетей. К настоящему времени для сетей данного типа разработан достаточно большой объем программного и аппаратного обеспечения, имеются стандартные протоколы управления передачей данных, что определяет их широкое использование в современных компьютерных сетях. Основным недостатком сетей данного типа является относительно низкая скорость передачи информации. Для достижения более высоких скоростей передачи данных на большие расстояния в настоящее время применяют цифровые сети передачи данных и спутниковые системы связи.
Сеть передачи данных является сложной системой, на которую возлагается выполнение достаточно большого числа функций с требуемыми надежностью, помехозащищенностью передачи данных и долговечностью ее работы. Эти функции возлагаются на специальную службу управления сетью передачи данных, которая осуществляет контроль работы и управление сетью. Контроль работы сети передачи данных включает: определение состояния аппаратных средств сети, контроль абонентских систем и их подключение к сети передачи данных, проведение статистики и учета состояния функциональных элементов сети и т.п. Управление сетью включает локализацию неисправностей, изменение конфигурации сети, распределение сетевых ресурсов, маршрутизацию и управление информационными потоками. Управление сетью передачи данных может быть централизованным и осуществляться одной компьютерной системой либо децентрализованным - несколькими компьютерными системами.
Одной из определяющих характеристик сети передачи данных является способ коммутации данных, в зависимости от которого различают сети передачи данных с коммутацией каналов, коммутацией сообщений, коммутацией пакетов и интегральные сети передачи данных.
Наиболее простой и естественный способ передачи данных между двумя абонентскими системами, называемый коммутацией каналов, базируется на реализации физического соединения между ними. По своей сути сети коммутации каналов подобны телефонным сетям коллективного пользования, на базе которых они, как правило, и реализуются. Физическое соединение между абонентами компьютерной сети создается, как правило, только на время сеанса передачи информации путем образования составного канала из последовательно соединенных каналов. При этом связь между отправителем и получателем устанавливается путем посылки отправителем соответствующего сообщения, которое передается по сети передачи данных от одного узла коммутации канала к другому и управляет коммутацией каналов связи, как бы прокладывая путь от отправителя к получателю. После образования физического соединения из пункта назначения отправителю передается ответное сообщение, подтверждающее наличие требуемого соединения. Затем осуществляется передача информации, ради которой был создан канал передачи данных. На время сеанса обмена информацией составной канал полностью оказывается недоступным для других абонентов. После завершения передачи отправитель вырабатывает соответствующее управляющее сообщение, которое передается по составному каналу, управляя его разъединением, а достигнув адресата, информирует его об окончании сеанса обмена информацией.
Общее время сеанса складывается из времени коммутации, времени передачи и времени завершения сеанса связи. Следует обратить внимание, что процесс коммутации может оказывать существенное влияние на время сеанса, например, при использовании низкоскоростных узлов коммутации каналов на основе релейных автоматических телефонных станций. Относительно длительное время установления соединения (секунды) в сочетании с низкой надежностью и высоким уровнем шумов ограничивает использование телефонных каналов связи в быстродействующих компьютерных сетях. Использование современных электронных узлов коммутации каналов позволяет примерно на два порядка уменьшить время коммутации каналов и создавать так называемые компьютерные сети с быстрой коммутацией каналов. С увеличением размера сообщения, передаваемого за один сеанс обмена, эффективность данного способа коммутации увеличивается.
В рамках сетей коммутации каналов могут организовываться так называемые выделенные каналы, которые коммутируются в определенные, заранее заданные, интервалы времени, на протяжении которых только и допускается передача информации. Очевидно, что режим выделенных каналов обеспечивает максимально допустимую для конкретной сети скорость передачи данных, однако при низкой интенсивности передачи данных эффективность использования передающей среды резко снижается.
Преимуществом сетей коммутации каналов является наличие постоянного соединения между абонентскими системами, которое позволяет достаточно просто организовать взаимодействие между ними в режиме реального времени, в диалоговом режиме.
Как уже отмечалось, большинство современных сетей коммутации каналов базируется на средствах сетей связи общего пользования (телефонная и телеграфная сети, радиосеть). Эти сети являются аналоговыми и имеют ограничения по скорости и качеству передачи дискретных цифровых сигналов. Поэтому для сетей связи общего пользования возникает необходимость принятия дополнительных мер по повышению достоверности и скорости передачи данных.
Кроме того, существенным недостатком сетей коммутации каналов является низкий коэффициент использования каналов передачи данных, прямая зависимость этого коэффициента от режимов работы сети. С целью повышения коэффициента использования каналов передачи данных предложены и реализованы различные способы их уплотнения и концентрации для создания на базе одного физического канала нескольких логических каналов, например, за счет использования принципа частотного и временного уплотнения каналов.
Используемое, как правило, в цифровых каналах передачи данных временное уплотнение представляет собой статическое разделение канала и предполагает передачу информации повторяющимися кадрами фиксированной длины. Кадр разбивается на части в соответствии с числом каналов и за каждым каналом закрепляется определенная часть кадра. Концентрация каналов связи, в отличие от уплотнения, является динамической процедурой объединения нагрузки нескольких каналов для последующей передачи информации по меньшему числу других более высокоскоростных каналов.
Передача информации посредством так называемой коммутации сообщений осуществляется без образования физического соединения между пунктом отправления и получения информации. Между ними устанавливается виртуальное (логическое) соединение, а физический канал устанавливается локально между смежными узлами коммутации и только на время передачи данных. При этом информация представляется и передается в виде блока данных, целиком содержащего все сообщение. Заголовок блока данных содержит адреса отправителя и получателя информации, а также другую управляющую информацию, необходимую для достоверной передачи сообщений между абонентами. Передача блоков данных между абонентами осуществляется с промежуточным запоминанием их в узлах коммутации: поступившее в узел коммутации сообщение запоминается в буферном запоминающем устройстве и при наличии свободного канала связи в направлении адресата передается по этому каналу в следующий свободный узел. Такие узлы, осуществляющие промежуточное хранение и управление передачей сообщений, называются узлами коммутации сообщений, а сети передачи данных, использующие данный способ коммутации, получили название сетей коммутации сообщений.
Сообщение последовательно передается от одного узла коммутации к другому, занимая в каждый период времени только канал передачи данных между смежными узлами. Остальные каналы на пути следования сообщения могут использоваться для других целей. Это позволяет, по сравнению с сетями коммутации каналов, существенно повысить коэффициент использования физических каналов связи и тем самым увеличить общую пропускную способность сети передачи данных. Однако при этом усложняются узлы коммутации и появляются дополнительные задержки, связанные с необходимостью промежуточного запоминания сообщения в каждом узле сети.
Кроме того, при передаче больших сообщений повышается вероятность появления ошибок, что приводит к увеличению повторных передач и, соответственно, к снижению эффективности работы сети передачи данных. Это приводит к необходимости разбиения сообщения на несколько блоков, которые последовательно передаются между узлами коммутации сообщений. Каждый принимающий узел собирает блоки в сообщение, которое после проверки снова разбивается на блоки для дальнейшей передачи. Процесс сборки-разборки сообщений осуществляется каждым узлом коммутации. Все это значительно снижает скорость передачи сообщений, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил метод коммутации пакетов.
Коммутация пакетов в документах МККТТ определяется как передача данных при помощи адресуемых пакетов, осуществляемая таким образом, что канал связи занимается только на период передачи пакета.
Пакет является протокольным блоком данных сетевого уровня и, как все блоки данных эталонной модели, состоит из заголовка и поля данных.
Сеть передачи данных, использующая коммутацию пакетов, называется сетью коммутации пакетов, а ее коммутационные узлы получили название узлов коммутации пакетов. В узлах коммутации пакетов реализуются три нижних уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем, на которых используются три типа протокольных блоков данных: последовательность бит, кадр и пакет. На рис 3.2 показана последовательность преобразования протокольных блоков данных при передаче их по сети коммутации пакетов. На верхних уровнях систем протокольный блок данных рассматривается как некоторый информационный блок, который на сетевом уровне «упаковывается» в пакет.
Рис.3.2. Последовательность преобразования протокольных блоков данных
при передаче их по сети коммутации пакетов
Сформированные на сетевом уровне пакеты передаются на канальный уровень, где к пакету добавляется служебная информация, необходимая для выполнения функций канального уровня, в результате чего формируется кадр. На физическом уровне кадр представляется последовательностью бит, которая в виде физических сигналов поступает в канал передачи данных. При приеме информации происходит обратный процесс: полученные биты группируются в слова, из которых формируется кадр. На канальном уровне содержимое управляющего поля кадра используется для выполнения процедур канального уровня, а содержимое поля данных в качестве пакета данных передается на сетевой уровень. Управляющее поле пакета формирует сетевой процесс в данном узле коммутации. Затем пакет преобразуется в кадр, содержащий обновленные адреса и соответствующие значения управляющих полей. Сформированный таким образом кадр данных передается на физический уровень и затем в следующий узел коммутации или абонентскую систему.
Коммутацию пакетов можно рассматривать как дальнейшее развитие коммутации сообщений, при котором сообщение - пакет имеет строго ограниченную длину. Процесс передачи информации в сети коммутации пакетов напоминает работу почтовой сети связи при пересылке писем.
Большие массивы информации передаются несколькими пакетами, однако, в отличие от коммутации сообщений, операция сборки-разборки осуществляется только в абонентских системах, что упрощает структуру промежуточных узлов сети. Естественно, за счет дублирования управляющей информации в каждом пакете общая длина передаваемого сообщения увеличивается, однако, как будет показано ниже, время передачи всего сообщения не увеличивается, а как правило, даже сокращается. Вводимое ограничение на длину пакета позволяет сократить объем запоминающих устройств узлов коммутации, что способствует сокращению времени пребывания пакета в узле коммутации, приводит к сокращению времени передачи сообщений и в целом повышает пропускную способность сети. Как видно из рис. 3.2, при коммутации пакетов, по сравнению с коммутацией сообщений, время передачи информации сокращается, этому также способствует одновременная передача нескольких пакетов одного сообщения.
Пакеты одного сообщения могут передаваться по различным маршрутам, независимо друг от друга, в этом случае говорят о так называемом дейтаграммном способе передачи данных. Данный способ передачи характеризуется использованием простейшего транспортного протокола и используется в основном для передачи короткой последовательности пакетов. Отсутствие логического канала может привести к нарушению порядка поступления пакетов к адресату. Поэтому для передачи больших сообщений используется способ виртуальных каналов, при котором все пакеты следуют по одному и тому же заранее установленному маршруту. Формирование маршрута осуществляется, как правило, перед началом передачи сообщения.