Все существующие в настоящее время телекоммуникационные сети для обеспечения требуемых функций могут использовать две разновидности связи - коммутация каналов и (или) пакетов. Что это такое и чем они отличаются друг от друга?

Начнем, пожалуй, с того, как работают сети с коммутацией каналов. Они появились ранее своих аналогов с коммутируемыми пакетами, поэтому, что неудивительно, более просты в реализации. Яркий пример сети, в которой используется коммутация каналов - это телефонная линия связи. Очевидно, что для того, чтобы два абонента могли начать общение, необходимо установить между ними связь. Абонент-инициатор набирает номер, который, фактически, является командой оборудованию находящейся между ними, должным образом соединить две линии - от инициатора и от ответчика (берем пример, когда абоненты обслуживаются одной станцией). Ранее для этого применялись механические щупы на простейших затем, с появлением цифровых решений, реализация изменилась, хотя принцип остался тем же. Коммутация каналов предоставляет абонентам независимую линию, которая остается закрепленной за ними до окончания сеанса связи. Преимущества очевидны: высокая надежность, отсутствие необходимости передачи контрольных пакетов. Однако данный способ соединения с увеличением количества абонентов становится слишком расточительным, так как количество каналов физически ограничено. Даже попытка решить эту проблему применением уплотнений является лишь временной мерой, определенным промежуточным решением. Кроме этого, коммутация каналов обладает одним существенным недостатком - линия связи занята все время, даже если обмена информацией между абонентами нет. К примеру, при телефонном разговоре можно положить трубку рядом с аппаратом и уйти по своим делам - канал останется зарезервированным за ними, пока не поступит сигнал разорвать связь.

Именно поэтому впоследствии на смену коммутированию каналов пришел способ коммутации пакетов. Принцип его работы предполагает кодировку и разбиение передаваемого потока данных на ряд отдельных пакетов, которые по общей линии связи передаются получателю и там объединяются в исходный поток. Чтобы понять различия указанных двух способов, можно воспользоваться аналогией с транспортной линией: при коммутации каналов линия представлена железнодорожной колеей, а поток данных - это состав из множества вагонов. Вполне понятно, что на пути следования задержки встречаются крайне редко, а надежность одна из самых высоких. В то же время, по этой колее одновременно не могут двигаться несколько составов. А вот линий с коммутацией пакетов - это скоростная автотрасса с многополосным движением. Перевозимый груз (передаваемые пакеты) разделяется на несколько машин которые, лавируя в потоке других видов транспорта, достигают места назначения, где происходит сборка изначальной конструкции. В данном примере дорога - это канал связи, а машины представляют собой пакеты данных. Они спокойно сосуществуют на одной дороге, почти не мешая перемещениям друг друга. Исключения - заторы, светофоры и внештатные ситуации (это задержки). Даже если какая-либо машина не прибыла к получателю, ее копия по запросу может быть отправлена повторно. Суммарный объем передаваемой за единицу времени информации при пакетной коммутации существенно выше, чем в случае с каналами.

В целом, коммутация это переключение чего-либо, смена состояний. В сетевой технике она формирует маршрут для прохождения данных. Особенность заключается в способе его организации. Коммутацию не стоит не путать с маршрутизацией, задачей которой является поиск оптимального пути следования.

Лекция 6. Коммутация каналов и коммутация пакетов. Часть 1

Рассматриваются и сравниваются основные подходы к решению задачи коммутации: коммутация пакетов, каналов и сообщений.

Ключевые слова: коммутация каналов, коммутация пакетов, непрерывный составной физический канал, соединение, резервирование пропускной способности, отказ в обслуживании, низкий уровень задержки, синхронность передачи, голосовой трафик, пакеты, заголовки, адреса, независимая маршрутизация, коммутатор, буферизация, случайные задержки, пульсирующий трафик, качество обслуживания.

Разные подходы к выполнению коммутации

В общем случае решение каждой из частных задач коммутации – определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи – тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

коммутация каналов (circuit switching);

коммутация пакетов (packet switching).

Внешне обе эти схемы соответствуют приведенной на рис. 6.1 структуре сети, однако возможности и свойства их различны.

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли 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. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Рис. 6.1. Общая структура сети с коммутацией абонентов.

Коммутация каналов

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рис. 6.1, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала 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.

Рис. 6.2. Установление составного канала.

Техника коммутации каналов имеет свои достоинства и недостатки.

Достоинства коммутации каналов

Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.

Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) – голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов

Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала – например, если абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно для многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки – сигнал "занято".

Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения, например в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией пакетов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.

Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью "вырезать" паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план.

Коммутация пакетов

Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер – и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных – запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. 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. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 6.3). Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.

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 (рис. 6.3). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Рис. 6.3. Разбиение сообщения на пакеты.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 6.4 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа – он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Данные нарезаются порциями - пакетами, каждый из которых обрабатывается коммутаторами независимо

Каждый пакет содержит адрес назначения и адрес отправителя

Не требуется предварительной процедуры установления соединения

Рис. 6.4. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов.

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

время на передачу заголовков;

задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

время буферизации пакета;

время коммутации, которое складывается из:

времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства коммутации пакетов

Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов

Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

Коммутация сообщений

Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение (это может быть, например, текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо) хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранения-и-передачи" (store-and-forward).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать его серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Вариант 1

1. Какой способ коммутации наиболее распространен сегодня в компьютерных сетях?

коммутация каналов

коммутация пакетов

коммутация сообщений

2. Какие свойства относятся к сетям с коммутацией пакетов?

гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов

3. Какая из перечисленных ниже технологий основана на коммутации пакетов?

телефонные сети

Вариант 2

1. Какие из перечисленных ниже свойств сетей с коммутацией каналов являются их

недостатками?

обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения

постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу

возможность отказа сети в обслуживании запроса на установление соединения

низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть

2. Какие свойства характерны для сетей с коммутацией каналов?

адрес используется только на этапе установления соединения

каждая порция данных снабжается адресом

сеть может отказать абоненту в установлении соединения

3. Используется ли буферизация в сетях с коммутацией каналов?

всегда, на каждом промежуточном узле

нет, никогда

иногда, при большой загрузке сети

Вариант 3

1. Какие из перечисленных ниже свойств сетей с коммутацией пакетов негативно

сказываются на передаче мультимедийной информации?

возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика

неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная зависимостью задержек в очередях буферов коммутаторов сети от общей загрузки сети

переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети

возможные потери данных из-за переполнения буферов

2. Какие свойства относятся к сетям с коммутацией каналов?

сеть всегда готова принять данные от абонента

ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика

пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер

трафик реального времени передается без задержек

3. Какой элемент сети с коммутацией каналов может отказать запрашивающему узлу в

установлении составного канала? допускается использовать исключительно в образовательных целях . Запрещается тиражирование информационных ресурсов с целью

Допускается использовать исключительно в образовательных целях запрещается тиражирование информационных ресурсов (4)

Учебное пособие

допускается использовать исключительно в образовательных целях . Запрещается тиражирование информационных ресурсов с целью извлечения коммерческой выгоды, а также иное...

Допускается использовать исключительно в образовательных целях запрещается тиражирование информационных ресурсов (5)

Список учебников

В телекоммуникационной библиотеке и представленные в виде цитат, допускается использовать исключительно в образовательных целях . Запрещается тиражирование информационных ресурсов с целью извлечения коммерческой выгоды, а также иное...

Допускается использовать исключительно в образовательных целях запрещается тиражирование информационных ресурсов (3)

Учебное пособие

В телекоммуникационной библиотеке и представленные в виде цитат, допускается использовать исключительно в образовательных целях . Запрещается тиражирование информационных ресурсов с целью извлечения коммерческой выгоды, а также иное...

Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.

Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM–коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM–коммутатора – количеству тайм–слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем–нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором – абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.

Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM–сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM–сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.

Недостатком сетей с коммутацией каналов является 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.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.

1. Коммутация пакетов

Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер – и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться – часть тайм–слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, 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. 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 (рисунок 1.39). Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.

Рисунок 1.39

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 (рисунок 1.40). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Рисунок 1.40

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рисунке 2.40 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования.

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60–е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Circuit switching and packet - it"s methods for solving the generalized problem of switching data in any network technology. Complex technical solutions of the generalized switching tasks in its entirety consists of the particular problems of data transmission networks.

By the special problems of data networks include:

• define flows and appropriate routes;
• fixation route configuration parameters, and tables of network devices;
• recognition flows and data transfer between one device interface;
• multiplexing / demultiplexing streams;
• separation medium.

Among the many possible approaches to the solution of the generalized problem of subscribers switching networks allocate two basic, which include channel switching and packet switching. Thus there are traditional applications of each switching techniques, for example, telephone networks continue to be built and constructed using circuit switched technology, computer networks and the vast majority are based on packet switching technique.

Therefore, as information flow in circuit-switched networks are the data exchanged between a pair of subscribers. Accordingly, the global flow feature is a pair of addresses (telephone numbers) subscribers communicate with each other. One feature of circuit-switched networks is the concept of an elementary channel.

Elementary channel

Elemental channel (or channel) - is a basic technical characteristics of the circuit switched network, which is fixed within a given type of network throughput value. Every link in the circuit switched network has a capacity of a multiple channel elementary adopted for this type of network.

In traditional telephone systems the value of the elementary channel speed is equal to 64 kbit / s, which is sufficient for high-quality digital voice.

For high-quality voice uses the frequency of sound vibrations amplitude quantization 8000 Hz (sampling time 125 ms intervals). To represent a measure of the amplitude is most often used 8-bit code, which makes 256 tone gradation (by sampling values).

In this case, the transmission of one voice channel is needed bandwidth 64 kbit / s:

8000 x 8 = 64000 bits / s or 64 kbit / s.

Such a voice channel is called an elementary channel digital telephone networks. A feature of the circuit switched network is that the bandwidth of each link must be equal to an integer number of elementary channels.

The composite channel

Communication constructed by switching (connection) of elementary channels, called a composite channel.

Составной канал

The properties of the composite channel:

• composite channel throughout its length is made up of the same number of elementary channels;
• composite channel has a constant and fixed bandwidth throughout its length;
• composite channel is created temporarily for the period of the session two subscribers;
• at the session, all the basic channels that are included in the composite channel, enter the exclusive use of subscribers, for which the composite channel has been created;
• during the communication session in the subscribers can send network data rate not exceeding a channel capacity of the composite;
• data received in a composite channel, the called subscriber is guaranteed to be delivered without delay, losses, and at the same rate (source rate) regardless of whether there is at this time in the other network connection or not;
• after the end of the session the basic channels that were included with the corresponding composite channel, declared free and returned to the pool of resources allocated for use by other users.

Connection refused

Connection refused

Connection requests are not always successful.

If the path between the calling and called subscribers are no free channels or called basic node is busy, the malfunction occurs in the connection setup.

The advantage of circuit switching

Circuit switching technology is aimed at minimizing the accidental events in the network, ie a technology. In order to avoid any possible uncertainty much of the work on information exchange is carried out in advance, even before the start the data transfer. First, for a given address, the availability of the required basic channels all the way from the sender to the recipient. But in the case of bursty, this approach is inefficient, since 80% of the time channel may be idle.

Packet Switching

The most important principle of the networks with a packet switched data submission is transmitted over the network in the form of structurally separated from each other pieces of data called packets. Each packet has a header, which contains the destination address, and other supporting information (length of the data field, a checksum, and others.), Used for the delivery to the addressee of the package.

Having address in each packet is one of the most important features of packet switching technology, since each packet can be processed independently of the other switch packets constituting the network traffic. In addition to the title in the package may have one additional field to be placed at the end of the package and so-called trailer. In the trailer is usually placed checksum, which allows you to check whether the information has been corrupted during transmission over the network or not.

Partitioning the data into packets

Partitioning the data into packets takes place in several stages. Chain sender node generates transmission data, which is divided into equal parts. After that occurs the formation of a package by adding the header overhead. And the last stage is assembled packets into the original message to the destination node.

Partitioning the data into packets

Transferring data over a network as a packet

Packet Transmission Network

As in the circuit switched networks, packet switched networks, for each of the streams is determined manually or automatically route fixed in the stored tables for commutation switches. Packets entering the switch are processed and sent on a particular route

Uncertainty and asynchronous movement of data in packet-switched networks makes special demands on the switches in such networks.

The main difference between a packet switch of the switches in the circuit-switched networks is that they have an internal buffer memory for temporarily storing packets. Switch buffers need to harmonize data rates in communication links connected to its interfaces, as well as to harmonize the rate of arrival packets with their switching speed.

Methods of transfer packages

A switch can operate on the basis of one of three methods promote packages:

• datagram transmission;
• Transfer to the establishment of a logical connection;
• Transfer to the establishment of a virtual channel.

Datagram transmission

Datagram transfer method based on the promotion of packet independent from each other. packet processing procedure is only determined by the values of parameters that it carries, and the current state of the network. And every single packet network is considered as a completely independent unit transfer - datagram.

Illustration datagram packet principle

Transfer to the establishment of a logical connection

Transfer to the establishment of a logical connection

Procedure for harmonization of the two end nodes of a network of some parameters of packet exchange process is called the establishment of a logical connection. Options negotiated by the two interacting nodes, called a logical connection parameters.

Virtual channel

Virtual channel

The only pre-padded fixed route connecting end nodes to the packet-switched network, referred to as a virtual channel (virtual circuit or virtual channel). Virtual channels are laid for sustainable information flow. In order to isolate the data flow of the total traffic flow of each packet is marked with a special kind of sign - label. As with the establishment of a logical network connections, the virtual channel begins with a gasket from the source node a special package - the connection request.

Table switching networks using virtual channels is different from the switching table in datagram networks. It contains entries only passing through the switch virtual channels, and not all the possible destination address, as is the case in networks with datagram algorithm transfer.

Comparison circuit-switched and packet

Switching channels	Packet Switching
You must first establish a connection	No stage of establishing a connection (datagram method)
Location is only required when establishing a connection	Address and other service information are transmitted with each packet
The network may refuse a connection to the subscriber	The network is always ready to receive data from subscriber
Guaranteed bandwidth (bandwidth) for interacting subscribers	Network bandwidth for users is unknown, transmission delays are random
Real-time traffic is transferred without delay	Network resources are used effectively when transmitting bursty traffic
High transmission reliability	Possible data loss due to buffer overflow
Irrational use of channel capacity, reducing the overall efficiency of the network	Automatic dynamic bandwidth allocation of a physical channel between subscribers

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.