Коммутация каналов и пакетов

Оглавление

 

 

Введение 3

Методы  коммутации 4

Коммутация  каналов 7

Коммутация  пакетов 10

Список  использованных источников 14

 

 

 

 

 

Введение

 

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.

 

 

 

 

 

Методы  коммутации

 

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих  абонентов между собой. Этими  абонентами могут быть удаленные  компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно представить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируюмую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течении длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Рассмотрим типичную структуру сети с коммутацией абонентов (рис. 1).

Рисунок 1 – Общая структура  сети с коммутацией абонентов

Абоненты соединяются  с коммутаторами индивидуальными  линиями связи, каждая из которых  используется в любой момент времени  только одним, закрепленным за этой линей  абонентом. Между коммутаторами  линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Существует три принципиально  различные схемы коммутации абонентов  в сетях:

• коммутация пакетов;
• коммутация каналов;
• коммутация сообщений.

Внешне все эти схемы  соответствуют структуре на рис. 1, однако возможности и свойства их различны. Сети с коммутацией  каналов имеют более богатую  историю, они ведут свое происхождение  от первых телефонных сетей. Сети с  коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов  с первыми глобальными компьютерными  сетями. Сети с коммутацией сообщений  послужили прототипом современных  сетей с коммутацией пакетов  и сегодня они в чистом виде практически не существуют.

Каждая из этих схем имеет  свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Как сети с коммутацией  пакетов, так и сети с Коммутацией  каналов можно разделить на два  класса по другому признаку – на сети с динамической коммутацией  и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает  устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется  на время сеанса связи, а затем (по инициативе пользователя) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединяться с любым  другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей  при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов  и завершается при выполнении определенной работы – передачи файла, просмотра страницы текста или изображения  и т.п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность  выполнить динамическую коммутацию с другими произвольным пользователем  сети. Вместо этого сеть разрешает  паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователем, 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 или арендуемых каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные  сети, сети ТСР/IP.

Наиболее популярными  сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит  в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети Х.25 и АТМ могут предоставлять  пользователю возможность динамически  связаться с любым другим пользователем  сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению одному вполне определенному абоненту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коммутация  каналов

 

Принцип работы.

Каждый абонент подключается к  сети с помощью терминального  устройства, которое посылает данные в сеть с постоянной скоростью, причем эта скорость в точности равна  пропускной способности линии. Если в какие-то периоды времени у  абонента скорость информации, которую  он хочет передать в сеть (предложенная нагрузка), оказывается меньше пропускной способности линии, то терминальное устройство продолжает питать сеть, постоянным потоком данных, дополняя полезную информацию пользователя незначащими данными. Устройство получателя в таком случае отбрасывает незначащие данные.

Установление соединения. Обмен  данными начинается с предварительного установления соединения (один из абонентов  посылает запрос, в котором указан адрес другого абонента). Запрос проходит через последовательность коммутаторов, лежащих на пути, чтобы  удостовериться, что все необходимые  линии связи в данный момент свободны и в случае, если конечный узел не занят в другом соединении, устанавливается  связь.

Положительным качеством данной технологии является то, что данные доставляются с низким и постоянным уровнем  задержки, что позволяет качественно  передавать данные, чувствительные к  задержкам (мультимедийные данные).

Мультиплексирование. При мультиплексировании  пропускная способность каждой линии  связи делится на равные части, образуя  одинаковое число так называемых подканалов. Запрос на установление логического  соединения резервирует не целиком  линии связи, а только их подканалы. Таким образом, соединение устанавливается  не на уровне линий связи, а на уровне подканалов. Если пропускной способности  одного подканала недостаточно используется несколько подканалов, таким образом, появляется возможность подобрать необходимую скорость соединения.

Данная технология используется в  сетях, где необходима постоянная скорость передачи данных (телефонные сети).

 

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. 2).

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.  

 

Рис. 2 - Матрица пространственного коммутатора  

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).

Рис. 3 - Схема трехступенного пространственного коммутатора

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. 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 .

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

 

 

При коммутации пакетов данные передаются в виде коротких блоков, называемых пакетами. Как правило, размер пакетов  не превышает 1000 байт. Если отправителю  требуется передать сообщение большого размера, оно разбивается на несколько пакетов. В каждый пакет помещается часть данных пользователя (или все сообщение пользователя, если оно короткое), а так же некоторая управляющая информация.

На каждом узле следования пакет  принимается, хранится короткое время, после чего передается следующему узлу.

 

Преимущества коммутации пакетов  по сравнению с коммутацией каналов:

•         Эффективность использования линии выше, так, как одна линия связи может совместно использоваться для передачи нескольких- пакетов. Пакеты устанавливаются в очередь и передаются по линии максимально быстро. При коммутации каналов, напротив, время использования линий, связывающих узлы, резервируется путем синхронного мультиплексирования с разделением времени. Большую часть времени такая линия может простаивать, так как может быть предоставленной соединению, по которому в данный момент не передаются данные.
• Сеть с коммутацией пакетов может адаптировать скорости передачи данных. Две станции с различными скоростями передачи данных могут обмениваться пакетами, так как каждая станция соединяется со своим узлом на подходящей скорости.
• В сети с коммутацией пакетов может использоваться механизм приоритетов. То есть если у узла есть несколько пакетов, стоящих в очереди на передачу, он может передать первым пакеты с наивысшим приоритетом. Эти пакеты будут доставлены с меньшей задержкой, чем низкоприоритетные пакеты.

 

Недостатки коммутации пакетов  по сравнению с коммутацией каналов:

• Каждый узел сети с коммутацией пакетов увеличивает задержку в доставке пакета, отсутствующую при коммутации каналов. Как минимум, эта задержка равна длине пакета в битах, деленной на скорость принимающего канала узла. Это время требуется, чтобы принять пакет во внутренний буфер узла. Кроме того, задержка переменной величины может быть связана с обработкой и нахождением в очереди.
•         Поскольку пересылаемые пакеты могут отличаться по длине, доставляться разными маршрутами и подвергаться разным задержкам в коммутаторах, суммарное время задержки доставки может существенно варьироваться. Данное явление называется флуктуацией. Флуктуация может быть нежелательна в некоторых приложениях, например в приложениях реального времени, включая цифровую телефонную связь и видео реального времени.
• Для доставки пакета получателю к каждому пакету необходимо добавлять служебную информацию. Что снижает пропускную способность, доступную для передачи данных пользователя, чего нет при коммутации каналов, после того как канал связи установлен.
• При передачи информации методом коммутации пакетов на каждом узле требуется выполнить больший объем работы, чем при коммутации каналов. В случае коммутации каналов, после того, как канал связи установлен, на промежуточных коммутаторах практически не требуется никакой обработки данных.

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.