Принцип коммутации пакетов в информационно-вычислительных сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип коммутации пакетов в информационно-вычислительных сетях

коммутация компьютер сеть информационный

Назначение любой сети - обмен данными между компьютерами.

Данные обычно содержатся в больших по размерам файлах. Однако сети не будут нормально работать, если компьютер посылает этот блок данных целиком. Существуют две причины, замедляющие работу сети при передаче по кабелю больших блоков данных.

Во-первых, такой блок препятствует взаимодействию остальных сетевых компонентов до окончания передачи.

Во-вторых, возникновение ошибок при передаче крупных блоков приведет к повторной передаче всего блока. А если поврежден небольшой блок данных, то требуется повторная передача именно этого небольшого блока, что значительно экономит время.

Разбиение данных на небольшие управляемые блоки позволяет ускорить передачу и обеспечить практически одновременную передачу информации несколькими компьютерами. При этом компьютеры не тратят время на ожидание.

Эти небольшие блоки называются пакетами. Пакет основная единица информации при передачи данных по сети.

При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает настолько, что каждый компьютер в сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными компьютерами.

Разбиение данных на пакеты осуществляет компьютер-отправитель. На компьютере-получателе пакеты накапливаются и выстраиваются в должном порядке для восстановления исходного вида данных.

Пакеты могут содержать несколько типов данных:

*информацию (например, сообщения или файлы);

*определенные виды данных и команд, управляющих компьютером (например, запросы к службам);

*коды управления сеансом (например, запрос на повторную передачу).

Структура пакета

Любой пакет состоит из 3-х обязательных компонентов: заголовка; данных; трейлера.

Заголовок содержит:

*адрес источника, идентифицирующий компьютер - отправитель;

*адрес местоназначения, идентифицирующий компьютер получатель; *инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных; *информация компьютеру-получателю о том как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде.

Данные. Эта часть пакета - собственно передаваемые данные.

Трейлер содержит информацию для проверки ошибок, обеспечивающую корректность передачи. Эта информация носит название циклический избыточный код (CRC). Это число, получаемое в результате математических преобразований над пакетом с исходной информацией. Когда пакет достигает местоназначения, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с CRC, - пакет принят без ошибок. В противном случае необходимо повторить передачу пакета, поскольку при передаче данные изменились.

Формирование пакетов

Формат и размер пакета зависят от типа сети. Максимальный размер пакета определяет количество пакетов, которое будет создано сетевой ос для передачи большого блока данных.

Процесс формирования пакета начинается на Прикладном уровне модели OSI. Информация, которую надо переслать по сети, проходит сверху вниз все семь уровней, начиная с прикладного.

Физический уровень - посредник в передаче данных по каналам связи. Он определяет тип кабеля, топологию сети, количество контактов на разъемах, параметры электрических сигналов и т.д.

Канальный уровень (уровень соединения) передает данные от физического уровня к сетевому, превращая их в кадры и наоборот.

Сетевой уровень определяет путь следования данных посети, позволяя им найти получателя. Это значит, что он определяет скорость передачи по сети и контроль целостности данных. Этот уровень можно рассматривать как службу доставки. Данные доставляются в виде отдельных пакетов, каждый из которых содержит адреса отправителя и получателя (в целях маршрутизации пакета). Сетевой уровень служит интерфейсом между компьютерами и коммутаторами пакетов. Кроме того он следит за правильностью полученных пакетов.

Для маршрутизации данных в сети используется таблица маршрутизации. Это база данных, где описывается местонахождение возможных получателей пакетов. Используя такую таблицу, маршрутизатор в состоянии найти путь пакета для любого получателя в сети.

Транспортный уровень передает данные между компьютерами, доставляя их прикладному процессу. В сети с коммутацией пакетов транспортный уровень должен фрагментировать пакеты, поступающие с сеансового уровня, чтобы передать их дальше на сетевой уровень. От транспортного уровня зависит количество пакетов в сети. Т.е. транспортный уровень генерирует трафик пакетов данных, которым должен управлять сетевой уровень.

На одном компьютере может быть запущено несколько процессов. Для увеличения пропускной способности сети транспортный уровень открывает несколько сетевых соединений.

Сеансовый уровень в качестве пользовательского сетевого интерфейса решает задачи по обработке соединений между процессами и приложениями на различных компьютерах (обработка паролей, прав доступа и т.д.).

Уровень представления объединяет общие функции, которые Сеть неоднократно использует для сетевых соединений. Этот уровень образует интерфейс между сетью и устройствами компьютера. Уровень может выполнять сжатие и шифрование данных.

Уровень приложения выполняет функции, относящиеся к общесетевым приложениям. Структура и функции прикладной программы определяют структуру и функции прикладного уровня.

В соответствии с принципами OSI/ISO каждый сетевой уровень должен выполнять четко определенную функцию.

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.

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.

Методы коммутации в локальных сетях

Передача данных в КС предполагает организацию физического или логического соединения между взаимодействующими абонентами сети (их также называют конечными узлами). Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Организация взаимодействия между абонентами компьютерной сети называется коммутацией.

Известны два основных принципа коммутации:

·непосредственное соединение (без промежуточного хранения данных);

·соединение с накоплением информации (хранение данных в промежуточных узлах).

При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в узел коммутации (коммутационную станцию) каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. В качестве такого способа коммутации в компьютерных сетях применяется коммутация каналов, используемая в традиционных телефонных сетях связи

Для передачи данных в компьютерных сетях разработан способ коммутации сообщений, предполагающий использование в качестве узлов связи специализированных средств вычислительной техники, что позволило реализовать в промежуточных узлах хранение передаваемой информации и данных, обеспечивающее множество преимуществ по сравнению с коммутацией каналов.

Существую три схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений. Их возможности и свойства принципиально различны. Сети c коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Способ коммутации пакетов довольно молод, он появился в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми компьютерными сетями. Сети с коммутацией сообщений являются прототипом современных сетей с коммутацией пакетов и в чистом виде на сегодняшний день практически не существуют.

По прогнозам специалистов, принципу коммутации пакетов принадлежит будущее - как более гибкому и универсальному.

Сети с коммутацией пакетов и каналов можно разделить на два класса - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе своего пользователя. Организация взаимодействия выполняется на время сеанса связи, а затем связь разрывается так же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Период соединения между парой пользователей составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы - например, передачи файла, просмотра страницы текста или изображения. Примерами таких сетей являются:

- телефонные сети общего пользования;

- локальные сети;

- сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени-то есть пользователю не предоставляется возможность выполнить динамическую коммутацию с другим любым пользователем сети. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется, как правило, несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (арендуемых) каналов. Примерами таких сетей на сегодняшний момент являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько Гбит/с.

Размещено на Allbest.ru