Способы коммутации . Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

• коммутация каналов - осуществляется соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;
• коммутация сообщений - характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;
• коммутация пакетов - сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Коммутация каналов . Коммутация каналов может быть пространственной и временной.

Пространственный коммутатор размера N*M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов - к вертикальным (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Матрица пространственного коммутатора

В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N < M, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N.

Недостаток рассмотренной схемы - большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N2. Для устранения этого недостатка применяют многоступенные коммутаторы. Например, схема трехступенного коммутатора 6*6 имеет вид, представленный на рис. 3.3.

Достаточным условием отсутствия блокировок входов является равенство k > 2*n-1. Здесь k - число блоков в промежуточном каскаде, n = N/p; p - число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.3 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется выполнить соединение a1-d1, но ранее скоммутированы соединения a2-b2-c4-d3, a3-b3-c1-d2, то для a1 доступны шины b1,с3 и с5, однако они не ведут к d1.

В многоступенных коммутаторах существенно уменьшено число переключательных элементов за счет некоторого увеличения задержки. Так, при замене одноступенного коммутатора 1000*1000 трехступенным с n = 22 и k = 43 число переключателей уменьшается с 10 6 до 2*46*22*43+43*46*46, т.е. примерно до 0,186*10 6 .

Рисунок 3.3 – Схема трехступенного пространственного коммутатора

Временной коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись-чтение". В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация.

Коммутация пакетов .Во многих случаях наиболее эффективной оказывается коммутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях коммутации пакетов различают два режима работы: режим виртуальных каналов (другое название - связь с установлением соединения) и дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому маршруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так называемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM - Time Division Method), или задерживаться в промежуточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения - положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осуществляться старт-стопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит подтверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи "в окне" . Окно может включать N пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протяжении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером K, то нужна повторная передача и она начинается с пакета K.

Например, в сетях можно использовать переменный размер окна. Так, в соответствии с рекомендацией документа RFC-793 время ожидания подтверждений вычисляется по формуле
T ож = 2*Tср,
где Tср:= 0,9*Tср + 0,1*Ti, Tср - усредненное значение времени прохода пакета до получателя и обратно, Ti - результат очередного измерения этого времени.

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграммы. Дейтаграмма - часть информации, передаваемая независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказывается полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.

Рассмотрим в данной статье основные методы коммутации в сетях.

В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).

Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную некоммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация - это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:

• коммутация каналов (circuit switching);
• коммутация пакетов (packet switching);
• коммутация сообщений (message switching).

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Достоинства коммутации каналов:

• постоянная и известная скорость передачи данных;
• правильная последовательность прихода данных;
• низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть.

Недостатки коммутации каналов:

• возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения;
• нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей;
• обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации.

Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения.

При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.

Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.

Коммутация пакетов - это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт (EtherNet). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета.

Достоинства коммутации пакетов:

• более устойчива к сбоям;
• высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика;
• возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи.

Недостатки коммутации пакетов:

• неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети;
• переменная величина задержки пакетов данных;
• возможны потери данных из-за переполнения буферов;
• возможны нарушения последовательности прихода пакетов.

В компьютерных сетях применяется коммутация пакетов.

Cпособы передачи пакетов в сетях:

• Дейтаграммный способ – передача осуществляется как совокупность независимых пакетов. Каждый пакет двигается по сети по своему маршруту и пользователю пакеты поступают в произвольном порядке.
• Достоинства: простота процесса передачи.
• Недостатки: низкая надежность засчет возможности потери пакетов и необходимость программного обеспечения для сборки пакетов и восстановления сообщений.
• Логический канал - это передача последовательности связанных в цепочки пакетов, сопровождающихся установкой предварительного соединения и подтверждением приема каждого пакета. Если i-ый пакет не принят, то все последующие пакеты не будут приняты.
• Виртуальный канал – это логический канал с передачей по фиксированному маршруту последовательности связанных в цепочки пакетов.
• Достоинства: сохраняется естественная последовательность данных; устойчивые пути следования трафика; возможно резервирование ресурсов.
• Недостатки: сложность аппаратной части.

В данной статье мы рассмотрели основные методы коммутации в вычислительных сетях, с описание каждого метода коммутации с указанием достоинст и недостатков.

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Например, если сеть, изображенная на рис. 2.25, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Затем коммутатор Е передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными, например, вести телефонный разговор.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

· техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);

· техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования

Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.

Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной сети.

Речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основные гармоники укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для качественной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками канал с полосой пропускания в 3100 Гц, который и используется в телефонных сетях для соединения двух абонентов. В то же время полоса пропускания кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Однако непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешаются между собой так, что разделить их будет невозможно.

Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. Эта техника подобна технике аналоговой модуляции при передаче дискретных сигналов модемами, только вместо дискретного исходного сигнала используются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала.

Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов.

На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным .

Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон.

В сетях на основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу , с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу , которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.

Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.

Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также количество низкоскоростных каналов в уплотненном высокоскоростном.

Коммутация каналов на основе разделения времени

Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.

Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM) . Реже используется и другое ее название - техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM) .

Аппаратура TDM-сетей - мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры -работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 Кбит/с - 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

· прием от каждого канала очередного байта данных;

· составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;

· передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N*64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с.

Демультиплексор выполняет обратную задачу - он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рис. 2.28 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извлекаться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал-выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако, в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» сети TDM не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники - синхронный режим передач (STM). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи (например, абонент телефонной сети молчит).

Существует модификация техники TDM, называемая статистическим разделением канала во времени (Statistical TDM, STDM) . Эта техника разработана специально для того, чтобы с помощью временно свободных тайм-слотов одного канала можно было увеличить пропускную способность остальных. Для решения этой задачи каждый байт данных дополняется полем адреса небольшой длины, например в 4 или 5 бит, что позволяет мультиплексировать 16 или 32 канала. Однако техника STDM не нашла широкого применения и используется в основном в нестандартном оборудовании подключения терминалов к мэйнфреймам. Развитием идей статистического мультиплексирования стала технология асинхронного режима передачи - АТМ, которая вобрала в себя лучшие черты техники коммутации каналов и пакетов.

Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов.

Существует аппаратура, которая поддерживает только режим постоянной коммутации. К ней относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование SDH. Такое оборудование используется для построения первичных сетей, основной функцией которых является создание выделенных каналов между коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию.

Сегодня практически все данные - голос, изображение, компьютерные данные - передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, телевизионных и компьютерных.

Соединение с коммутацией каналов -- вид телекоммуникационной сети, в которой между двумя узлами сети должно быть установлено соединение (канал), прежде чем они начнут обмен информацией. Это соединение на протяжении всего сеанса обмена информацией может использоваться только указанными двумя узлами. После завершения обмена соединение должно быть соответствующим образом разорвано.

Типичным примером являются ранние телефонные сети. Абонент должен попросить оператора соединить его с другим абонентом, подключённым к тому же коммутатору или иному коммутатору через линию связи (и другому оператору). В любом случае, конечным результатом было физическое электрическое соединение между телефонными аппаратами абонентов в течение всего разговора. Проводник, задействованный для подключения, не мог быть использован для передачи других разговоров в это время, даже если абоненты на самом деле не разговаривали и на линии была тишина.

Позже стало возможным уплотнение одной физической линии для образования в ней нескольких каналов. Несмотря на это, один канал уплотнённой линии также мог использоваться лишь одной парой абонентов.

Преимущества:

· высокая стабильность параметров канала во времени;

· отсутствие необходимости в передаче служебной информации после установления соединения;

· коммутация каналов может использоваться как в аналоговых, так и в цифровых сетях связи, в отличие от коммутации пакетами, которая возможна только в цифровых сетях.

Коммутация каналов считается недостаточно эффективным способом коммутации, потому что канальная ёмкость частично расходуется на поддержание соединений, которые установлены, но (в настоящее время) не используются.

Коммутация пакетов (англ. packet switching) -- разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения -- логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о датаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов -- дейтаграммным режимом.

Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщений позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

Меньшее время доставки сообщения в сети;

Более эффективное использование буферной памяти в узлах;

Более эффективная организация надёжной передачи данных; оо среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

Задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений. Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно. Уменьшение времени доставки сообщений при коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи.

Выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 6): когда пакет П1 находится в канале KC4, пакет П2 передаётся по каналу KC3, пакет П3 - по каналу KC2 и пакет П4 - по каналу KC1, что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Рисунок 6 - Коммутация пакетов

Более эффективная организация надежной передачи данных, по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.

Достоинства коммутации пакетов:

· эффективность использования пропускной способности;

· меньшие затраты.

Недостатки коммутации пакетов:

· занимают линии связи;

· уменьшение ее пропускной способности;

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов, в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, увеличивая равномерность нагрузки.

4.

Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов: принципы работы и сравнение

Сети с коммутацией каналов работают, образуя выделенное соединение (канал) между двумя точками. Например, телефонная сеть использует технологию с коммутацией каналов - телефонный вызов устанавливает канал от вызывающего телефона через локальную АТС, по линиям связи, к удаленной АТС, и, наконец, к вызываемому телефону. Пока существует канал, телефонное оборудование постоянно опрашивает микрофон. В случае цифровой сети данные от микрофона кодируются, и полученные значения в цифровой форме передаются его по этому каналу к получателю. Отправителю гарантируется, что опросы будут доведены и воспроизведены, так как канал обеспечивает скорость 64 Кбит/с, которой достаточно для передачи оцифрованного голоса.

Связь при использовании коммутации каналов включает три фазы:

4. Установление канала. Прежде, чем начнется передача данных, должен быть скоммутирован канал, соединяющий источник и получателя информации. При этом между узлами сети происходит обмен сигнализационной информацией. В результате этой фазы узлы вдоль установленного маршрута запоминают информацию о новом соединении.

5. Передача данных. При этом каждый из промежуточных узлов использует информацию, сохраненную на этапе установления канала, для определения следующего узла, которому необходимо передать информацию, относящуюся к данному соединению. В телефонных сетях передача может происходить в аналоговом или цифровом виде. На разных звеньях связи может использоваться разный принцип передачи.

6. Разъединение. Как правило, происходит по инициативе одной из сторон. В ходе разъединения сигнализационная информация передается вдоль всего маршрута. Благодаря этому противоположная сторона извещается о прекращении связи, а промежуточные узлы освобождают ресурсы, выделенные для данного соединения.

Таким образом, в сети с коммутацией каналов ресурсы должны быть выделены перед тем, как начнется передача данных. Каждый из промежуточных узлов сети должен обладать достаточным количеством свободных ресурсов в требуемом направлении (одном из направлений в случае нескольких возможных маршрутов).

Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Это же обстоятельство, однако, приводит и к серьезному недостатку сети с коммутацией каналов: потенциально неэффективному использованию каналов. Ресурсы сети занимаются даже в те моменты времени, в которые передачи данных не происходит. В случае голосового трафика использование канала может быть достаточно высоким, но в случае передачи данных между двумя компьютерами канал может простаивать большую часть времени. Также недостаток коммутации каналов заключается в наличии задержки перед передачей данных, требуемой для установления соединения. Однако после того как соединение установлено, данные могут передаваться с низкой задержкой, что является преимуществом данной архитектуры (таким образом, эти недостаток и преимущество вновь оказываются взаимосвязанными).

Примерно в 1970 году начались исследования в области создания новой архитектуры для передачи цифровых данных на большие расстояния – коммутации пакетов . Толчком к этому послужила потребность в создании живучих сетей, сохраняющих работоспособность при выходе из строя ряда узлов, и, более того, самостоятельно приспосабливающихся к таким изменениям. Как и в случае со многими новыми технологиями, данная технология первоначально имела военное применение. Несмотря на то, что с тех пор технология коммутации пакетов подверглась существенному развитию, в основе ее лежат принципы, заложенные еще в сетях начала 1970-х годов.

Сети с коммутацией каналов, созданные изначально для передачи голосового трафика, обладают рядом недостатков при использовании их для обмена данными между компьютерами:

- Для соединений между компьютерами характерен крайне неравномерный характер трафика: большую часть времени линия бездействует, зато в отдельные моменты времени передается большое количество данных.

- Канал имеет фиксированную пропускную способность, что ограничивает полезное использование сети.

Сети с коммутацией пакетов, тип обычно используемый при соединении компьютеров, используют совершенно другой подход, чем сети с коммутацией каналов. В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами, которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит только несколько сотен или тысяч байт данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, то помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Например, файл, передаваемый между двумя машинами, может быть разбит на большое число пакетов, которые посылаются по сети по одному. Оборудование сети доставляет пакеты к указанному месту назначения, а сетевое программное обеспечение собирает пакеты опять в один файл.

Преимущества коммутации пакетов заключаются в следующем:

- Канал связи используется более эффективно. Пакеты, предназначенные для передачи, ставятся в очередь, а затем передаются так быстро, как это возможно.

- Большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин. В то время как в сети с коммутацией каналов в случае сильной загрузки новые соединения перестали бы устанавливаться, в сети с коммутацией пакетов пакеты по-прежнему принимаются к передаче. При этом, однако, частота приема пакетов уменьшается, а время их доставки – увеличивается.

- При коммутации пакетов возможно использование приоритетов: пакеты с большим приоритетом могут иметь, например, меньшую задержку.

Недостатком сети с коммутацией пакетов является то, что по мере того как возрастает нагрузка в сети, данная пара взаимодействующих компьютеров получает все меньше сетевой пропускной способности. То есть, всякий раз, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты. Заметим, что данный недостаток напрямую связан с указанным выше достоинством – вместо фиксированной и гарантированной пропускной способности канала пользователи получают негарантированную пропускную способность, которая может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от загрузки сети. Таким образом, негарантированная пропускная способность является платой за высокую эффективность использования сети. Заметим также, что в сетях с коммутацией пакетов возможно применение специальных алгоритмов, управляющих качеством обслуживания пользователей. Это позволяет давать пользователям определенные гарантии в отношении характеристик качества обслуживания, подобно тому, как их дают сети с коммутацией каналов.

Независимая маршрутизация отдельных пакетов требует больших вычислительных ресурсов от узлов сети по сравнению с сетью с коммутацией каналов, однако позволяет уменьшить накладные расходы на начало обслуживания новой пары пользователей.

Несмотря на потенциальный недостаток негарантированной сетевой пропускной способности, сети с коммутацией пакетов стали очень популярными. Причинами их широкого использования являются стоимость и производительность. В связи с тем, что к сети может быть подключено большое число машин, требуется меньше соединений и стоимость остается низкой. Так как инженеры смогли создать высокоскоростное сетевое оборудование, с пропускной способностью обычно проблем не возникает.

Сравнительные характеристики сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов можно свести в таблицу:

	Комм. каналов	Комм. пакетов
Пропускная способность канала	Гарантирована	Не гарантирована
Эффективность использования канала	Низкая (в общем случае)	Высокая
Первоначальные затраты на поток данных	Высокие	Низкие
Текущие затраты на поток данных	Низкие	Высокие

Как видно из вышесказанного, оба подхода – и коммутация каналов, и коммутация пакетов – обладают своими преимуществами и недостатками, причем зачастую одни и те же их характеристики могут выступать как преимущества или недостатки в зависимости от характера передаваемого трафика. Характеристиками трафика, делающими предпочтительным вариантом коммутацию каналов, являются:

- Постоянная требуемая пропускная способность.

- Чувствительность к задержке доставки.

Трафик, обладающий перечисленными характеристиками, называется потоковым (stream ). Таковым является трафик в телефонных сетях. Многие мультимедийные приложения также создают потоковый трафик, например, передача звука или видео по сети.

В противоположность потоковому трафику, коммутация пакетов наиболее эффективна при следующих характеристиках трафика:

- Сильные перепады в скорости передачи информации.

- Задержка доставки обладает второстепенной значимостью, на первом месте стоит пиковая скорость передачи.

Такой трафик характерен, например, для передачи файлов или для просмотра страниц в Internet .

Анализ показывает, что задержка доставки информации в сети с коммутацией пакетов ниже, чем в сети с коммутацией каналов, при малых нагрузках в сети и в некотором диапазоне длин пакетов. При большой нагрузке в сети и при передаче длинных блоков данных коммутация каналов является более эффективной.

Наконец, отметим, что сервис, подобный сервису, предоставляемому сетью с коммутацией каналов, может быть предоставлен и сетью с коммутацией пакетов. При этом используются т.н. виртуальные каналы. Прежде, чем приступить к передаче данных, в сети определяется маршрут, по которому она будет происходить, и все узлы вдоль этого маршрута выделяют для нового соединения требуемое количество ресурсов и сохраняют информацию об этом соединении. После этого начинается передача данных. Данные передаются в виде пакетов, однако эти пакеты коммутируются не независимо, как это происходит в сети с коммутацией каналов, а передаются по заранее проложенному маршруту. После завершения передачи данных использовавшийся для нее канал разрушается. Таким образом, создается канал, соединяющий двух пользователей, работающий поверх пакетной сети. Такой канал называется виртуальным. Среднее значение и дисперсия времени доставки пакетов при использовании виртуального канала будут меньше, чем в случае независимой коммутации каждого отдельного пакета, поскольку ресурсы сети для передачи этих пакетов выделены заранее, а обработка пакетов осуществляется более простым образом. Таким образом, в сетях с коммутацией виртуальных каналов происходит перераспределение функциональности по сравнению с сетями с коммутацией пакетов: имеются определенные накладные расходы на установление соединения, но дальнейшая маршрутизация информации очень проста – данные передаются в соответствии с уже определенным маршрутом.

Технология коммутации виртуальных каналов позволяет устранить ряд недостатков, свойственных сетям с коммутацией каналов: виртуальные каналы могут обладать переменной пропускной способностью, что позволяет более гибко выбирать способ обслуживания пользователей в сети в зависимости от их потребностей. В результате предоставление гарантированных характеристик канала (в т.ч. пропускной способности) может сочетаться с высокой эффективностью использования сети. Более подробно об этом будет сказано в разделе, посвященном сетям ATM .