Глава 10. Технологии коммутации

В телекоммуникационных сетях используют три основные технологии коммутации: коммутация каналов (КК), коммутация сообщений (КС) и коммутация пакетов (КП).

Коммутация каналов (circuit switching)

При коммутации каналов устанавливается физическое соединение между передающим и принимающим устройствами (А и М). Примером является соединение в телефонной сети ТФ-ОП или сети ISDN. Соединение, установленное в сети с коммутацией каналов, сохраняется до конца сеанса связи, независимо от того, ведется передача информации или нет, и разрушается по инициативе одного из оконечных устройств. Достоинствами такого метода коммутации является его простота и отсутствие задержек при передаче информации после установления соединения. К недостаткам можно отнести неэффективное использование пропускной способности канала из-за наличия временных пауз в информационном потоке между оконечными устройствами и возможные отказы сети на запрос установления соединения. При строительстве современных высокоскоростных сетей такая коммутация практически не применяется.

Коммутация сообщений (message switching)

Коммутацией сообщений называется совокупность операций по приему узлом сети от оконечного устройства или другого узла целого сообщения (файла, блока данных), хранению принятого сообщения в памяти узла и последующей передачи в соответствии с содержащимся в нем адресом. Таким образом, сообщение поэтапно, с переприемом в каждом узле, передается через ряд узлов в пункт назначения. Передающая станция (источник) снабжает сообщение адресом получателя (Destination Address, DA) и собственным адресом (Source Address, SA). Разные сообщения между отправителем и получателем (А и М) могут проходить в сети разными путями.

Примером реализации данного метода коммутации может служить телеграфная сеть. В компьютерных сетях в чистом виде этот вид коммутации не применяется, хотя сама идея “store and forward” (запомни и отправь) используется в системах передачи почты (MHS-message handle systems).

Узлы сети с коммутацией сообщений должны иметь буферную память неопределенного размера и большое дисковое пространство для временного хранения данных. Возникают сложности при работе в режиме реального времени из-за непредсказуемых и больших задержек сообщения в сети. К достоинствам такого метода коммутации можно отнести более эффективное, чем при коммутации каналов, использование каналов сети (сообщения передаются по очереди, использование каналов достигает 95% - 98%), широкие возможности по управлению трафиком, возможность отправить одно сообщение многим (broadcast messages).

Коммутация пакетов (packet switching)

Этот метод коммутации является основным в компьютерных сетях, и впервые был предложен Rand Corporation, а затем широко внедрен при реализации сети ARPANET (1964-1967г.г.). Передаваемое сообщение разбивается на относительно короткие части (пакеты), каждый из которых снабжается заголовком (служебная информация). Предполагается, что такой пакет имеет адрес источника и адрес отправителя (SA и DA). Так как пакет имеет фиксированную максимальную длину, то не требуется дисковой памяти для его хранения, достаточно оперативной памяти, что значительно сокращает задержки передачи.

Существуют два метода пакетной коммутации: передача дейтаграмм (datagram) и передача по виртуальным каналам (virtual circuit). Рассмотрим разницу между этими методами.

При передаче в дейтаграммном режиме каждый пакет содержит адреса отправителя и получателя, служебную информацию и последовательный номер пакета в сообщении. Дейтаграммы, принадлежащие одному сообщению, движутся в сети независимо друг от друга. Принимающее устройство собирает сообщение из пакетов согласно их номерам. Длина пакета достаточно существенна. Можно осуществлять передачу длинными пакетами (применяется в сетях Ethernet) или короткими пакетами (сети ATM). Слишком длинные пакеты приближают сеть к сети с коммутацией сообщений. Время задержки в сети увеличивается, эффективность сети падает. Слишком короткие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации (накладные расходы), так как каждый пакет имеет заголовок фиксированной длины.

При передаче по виртуальным каналам создаётся логическое соединение между устройствами (logical connection), то есть в сети организуется маршрут для передачи пакетов определенного информационного потока (сообщения). Соединение устанавливается до начала передачи данных путем обмена служебными пакетами между отправителем и получателем. В них содержатся параметры передачи (максимальный размер пакета с данными, путь передачи, скорость передачи, необходимость подтверждения о доставке (acknowledgement), согласование процедуры контроля над ошибками и процедуры управления соединением). В оперативной памяти каждого узла, через который проходит служебный пакет, резервируется буферная зона для промежуточного накопления пакетов данных, которые будут передаваться по данному виртуальному соединению. В маршрутной таблице каждого узла 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. На каждом участке сети (между узлами или между узлом и присоединенным компьютером) 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.

Логическое соединение может быть временным (SVC, устанавливается на один сеанс связи) или постоянным (PVC, сохраняется длительное время, обычно до нескольких месяцев).

Передача при помощи дейтаграмм более гибкая, требует меньше затрат на администрирование, но менее надёжна, чем передача по виртуальным каналам.

Пакетная коммутация требует сложных программных решений и быстрых устройств коммутации, и это сдерживало её развитие раньше. При пакетной коммутации обеспечиваются малые задержки пакетов внутри сети, так как нет длинных сообщений, и, следовательно, нет задержек в буферной памяти узлов. Имеются широкие возможности управления трафиком (можно иметь различные алгоритмы поиска маршрутов и обходить загруженные участки сети). Поэтому пакетная коммутация реализована во всех современных высокоскоростных системах передачи данных.

Выводы

Существуют три основных метода коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. Коммутация каналов характеризуется минимальными задержками после выделения канала, но неэффективным использованием пропускной способности канала. Коммутация сообщений использует переприем сообщения в каждом узле. Задержки могут быть значительными, хотя каналы сети используются намного эффективнее. Коммутация пакетов подразумевает баланс между параметрами задержки и эффективностью использования канала. С появлением высокоскоростных и управляемых коммутирующих устройств коммутация пакетов является основным методом коммутации в сетях.

Дополнительная информация

www.att.com/history

Контрольные вопросы

• Укажите набор ключевых слов, который относится к теме «Коммутация сообщений»:
• Маршрутизация, передача информации с переприемом в узлах, случайные задержки.
• Буферизация пакетов, низкий уровень задержки, качество обслуживания, метка потока.
• Пакет, межпакетный интервал, задержка передачи, виртуальный канал.
• Составной физический канал, голосовой трафик, соединение, отказ в обслуживании.
• Какое свойство сети с коммутацией каналов отрицательно сказывается при передаче пульсирующего трафика:
• Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.
• Возможность отказа сети в обслуживании запроса на установление соединения.
• Постоянный уровень задержки передачи данных через сеть.
• Невозможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами.
• Используется ли буферизация данных в сетях с коммутацией каналов:
• Всегда, на каждом промежуточном узле.
• Всегда, на исходящем узле.
• Иногда, при большой загрузке сети.
• Нет, никогда.
• Механизму виртуальных каналов в сети с коммутацией пакетов присущи следующие свойства (укажите ошибочное утверждение):
• Обрыв физической линии связи между транзитными узлами не влияет на созданные виртуальные соединения.
• В сети создаются устойчивые пути следования трафика.
• Этот механизм передачи пакетов учитывает уже существующие в сети потоки данных.
• Между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных соединений, как полностью совпадающих в отношении пути следования, так и отличающихся.