Доклад на тему сети с коммутацией каналов

Обновлено: 02.07.2024

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).

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 (рис. 2.26). 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.

Рис. 2.26. Модуляция речевым сигналом

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 (рис. 2.27). 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.

Рис. 2.27. Коммутация на основе частотного уплотнения

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 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). Рисунок 2.28 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.

Рис. 2.28. Коммутация на основе разделения канала во времени

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.

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.

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.

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:

симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;
дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Дуплексный режим - наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или АТМ.

Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным. Чаще всего это происходит в тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется всего один физический канал, а организация второго связана с большими затратами. Например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с АТС - двухпроводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью техники FDM или TDM.

Модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной линии применяют технику FDM. Модемы, использующие частотную модуляцию, работают на четырех частотах: две частоты - для кодирования единиц и нулей в одном направлении, а остальные две частоты - для передачи данных в обратном направлении.

В волоконно-оптических кабелях при использовании одного оптического волокна для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном - другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM применяется и для повышения скорости передачи данных в одном направлении, обычно используя от 2 до 16 каналов.

Коммутация каналов и пакетов - это методы решения обобщенной задачи коммутации данных в любой сетевой технологии. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в своей совокупности состоит из частных задач сетей передачи данных.

К частным задачам сетей передачи данных относятся:

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;
разделение среды передачи.

1. Элементарный канал

2. Составной канал

1. Отказ в соединении
2. Преимущество коммутации каналов

1. Разбиение данных на пакеты
2. Методы продвижения пакетов
3. Дейтаграммная передача
4. Виртуальный канал

Среди множества возможных подходов к решению обобщенной задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов . При этом существуют традиционные области применения каждой из техник коммутации, например, телефонные сети строились и продолжают строиться с использованием техники коммутации каналов, а компьютерные сети в подавляющем большинстве основаны на технике коммутации пакетов.

Так в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов. Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

Элементарный канал

Элементарный канал (или просто канал) — это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

В традиционных телефонных сетях величина скорости элементарного канала равняется 64 Кбит/с , что достаточно для качественной цифровой передачи голоса.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретизация по значениям).

В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с:

8000 х 8 = 64 000 бит/ с или 64 Кбит/с.

Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.

Составной канал

Связь, построенную путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называют составным каналом .

Составной канал Свойства составного канала:

составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов;
составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;
составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;
на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;
в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;
данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;
после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

Отказ в соединении

Отказ в соединении Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно.

Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения .

Преимущество коммутации каналов

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных событий в сети, то есть это технология. Во избежание всяких возможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется заранее, еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Но в случае с пульсирующим трафиком, данный подход является неэффективным, так как до 80% времени канал может простаивать.

Коммутация пакетов

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами . Каждый пакет снабжен заголовком , в котором содержится адрес назначения и другая вспомогательная информация (длина поля данных, контрольная сумма и др.), используемая для доставки пакета адресату.

Наличие адреса в каждом пакете является одной из важнейших особенностей техники коммутации пакетов, так как каждый пакет может быть обработан коммутатором независимо от других пакетов, составляющих сетевой трафик. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, размещаемое в конце пакета и поэтому называемое концевиком. В концевике обычно помещается контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

Разбиение данных на пакеты

Передача пакетов по сети Как и в сетях с коммутацией каналов, в сетях с коммутацией пакетов для каждого из потоков вручную или автоматически определяется маршрут, фиксируемый в хранящихся на коммутаторах таблицах коммутации. Пакеты, попадая на коммутатор, обрабатываются и направляются по тому или иному маршруту

Неопределенность и асинхронность перемещения данных в сетях с коммутацией пакетов предъявляет особые требования к работе коммутаторов в таких сетях.

Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его интерфейсам, а также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации.

Методы продвижения пакетов

Пакетный коммутатор может работать на основании одного из трех методов продвижения пакетов:

дейтаграммная передача;
передача с установлением логического соединения;
передача с установлением виртуального канала.

Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на независимом продвижении пакетов друг относительно друга. Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети . И каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи — дейтаграмма.

Передача с установлением логического соединения Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения.

Виртуальный канал

Виртуальный канал Единственный заранее проложенный фиксированный маршрут, соединяющий конечные узлы в сети с коммутацией пакетов, называют виртуальным каналом (virtual circuit или virtual channel). Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. С целью выделения потока данных из общего трафика каждый пакет этого потока помечается специальным видом признака — меткой. Так же как в сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла-источника специального пакета — запроса на установление соединения.

Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы, отличается от таблицы коммутации в дейтаграммных сетях. Она содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения, как это имеет место в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения

Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов

Коммутация каналов	Коммутация пакетов
Необходимо предварительно устанавливать соединение	Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ)
Адрес требуется только на этапе установления соединения	Адрес и другая служебная информация передаются с каждым пакетом
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения	Сеть всегда готова принять данные от абонента
Гарантированная пропускная способность (полоса пропускания) для взаимодействующих абонентов	Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
Трафик реального времени передается без задержек	Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
Высокая надежность передачи	Возможные потери данных из-за переполнения буферов
Нерациональное использование пропускной способности каналов, снижающее общую эффективность сети	Автоматическое динамическое распределение пропускной способности физического канала между абонентами

Рекомендуем хостинг TIMEWEB

Стабильный хостинг, на котором располагается социальная сеть EVILEG. Для проектов на Django рекомендуем VDS хостинг.

Коммутация пакетов с использованием виртуальных каналов - это технологии передачи данных сетевого уровня, объединяющие свойства коммутации каналов и коммутации пакетов. При этом в значительной мере удается реализовать достоинства обоих методов коммутации. В настоящее время достаточно широко применяются технологии сетей X.25, Frame Relay, ATM.

Данные передаются на сетевом уровне в виде пакетов, имеющих стандартную структуру и размеры. Пакеты данных от одного конечного узла DTE к другому конечному узлу DTE можно передавать в сети только после установления соединения - специальной сетевой процедуры создания виртуального канала. Виртуальное соединение в отличие от физического соединения не закрепляет жестко ресурсы канала передачи данных, виртуальное соединение необходимо только для указания выбранного в соединении постоянного маршрута для доставки пакетов. Пакеты разных виртуальных каналов могут конкурировать за доступ к каналу передачи данных, так как один канал может обслуживать несколько виртуальных соединений.

PVC создаются вручную и закрепляются постоянно аналогично выделенным телефонным линиям. Стоимость PVC намного ниже, чем выделенных линий, так как пропускная способность каналов передачи данных делится между многими пользователями. В большинстве случаев нет необходимости поддерживать PVC (и платить за него), виртуальное соединение SVC создают только на периоды передачи данных. Создание SVC, т.е. выбор маршрута для доставки пакетов, производится коммуникационными узлами (маршрутизаторами) автоматически по специальной заявке, поступающей от конечного узла. После окончания передачи данных SVC отключается также с помощью специальной процедуры.

Естественно, что создание виртуального канала между конечными узлами требует передачи их полных сетевых адресов. Адресация сетевых пакетов по уже созданному виртуальному соединению производится с помощью идентификатора виртуального канала VCI. Значение VCI определяется при создании виртуального канала, в отличие от сетевого адреса имеет не глобальный, а локальный смысл, т.е. каждый маршрутизатор присваивает определенный номер создаваемому виртуальному каналу на каждом участке сети. Причем во входном порте VCI имеет одно значение, а выходном порте - уже другое. Эти значения VCI регистрируются в специальных таблицах коммутации портов маршрутизатора и для передаваемых по виртуальному каналу пакетов автоматически изменяются при передаче с входного порта в выходной. Так как число поддерживаемых одновременно виртуальных каналов в маршрутизаторе относительно невелико, объем таблиц коммутации портов и размер VCI также небольшой.

В соответствии с этими факторами маршрутизация пакетов существенно ускоряется. Кроме того, использование простых и небольших по размеру VCI позволяет существенно сократить объем служебных полей пакета и соответственно повысить скорость передачи полезной информации. Следует отметить, что это преимущества уже созданного виртуального соединения. А создание виртуального соединения - это сложная и достаточно громоздкая процедура, обычно она выполняется по запросу конечного узла с помощью специального служебного пакет Call Request. Если в процессе передачи данных виртуальный канал отказывает по какой-либо причине, продолжение передачи данных возможно только после создания нового виртуального канала. Необходимо также учитывать, что из-за большого числа коммуникационных устройств, поддерживающих функционирование виртуального канала, вероятность отказов существенно выше, чем в процедурах канального уровня. Поэтому на сетевом уровне необходимы более жесткие процедуры контроля работы и восстановления корректной работы после сбоев.

Сервисы ISDN обладают гораздо более высоким качеством, чем аналоговых телефонных сетей. Кроме более высокой помехоустойчивости ISDN предоставляет два типа интерфейсов для пользователей: базовый (BRI) и первичный (PRI) интерфейсы. BRI содержит 2 B канала и D канал (2х64+16) с суммарной пропускной способностью 144 кбит/с. PRI - по европейским стандартам 30 B и D канал (30х64+64) с суммарной пропускной способностью 1984 кбит/с. Телефонные аппараты подключаются через S интерфейс (B+D). Стандарты определяют три нижних уровня, на сетевом уровне определены процедуры установления соединения (коммутация каналов).

Стандарт X.25 "Интерфейс между оконечным оборудованием данных и аппаратурой передачи данных для терминалов, работающих в пакетном режиме в сетях передачи данных общего пользования" существует с 1974 г. и в последующие годы несколько раз пересматривался. Стандарт охватывает три нижних уровня сети, но внутреннюю структуру сети не описывает, а определяет пользовательский интерфейс с сетью.

Технология X.25 основана на коммутации пакетов и виртуальных каналах, обладает низкой производительностью, но эффективно работает на линиях связи с высоким уровнем помех, создавалась для работы на ненадежных аналоговых телефонных каналах. Высокая помехоустойчивость обеспечивается контролем данных и коррекцией ошибок на 2 уровнях: канальном и сетевом. Алгоритмы работы этих уровней и решаемые ими задачи во многом дублируют друг друга.

На физическом уровне предполагается использование последовательного интерфейса стандарта Х.21. На канальном уровне - стандартный протокол LAP-B семейства HDLC. Сетевой уровень определяется протоколом PLP (X.25/3), который предусматривает маршрутизацию пакетов, установление и разрыв соединения, управление потоком пакетов. Алгоритмы маршрутизации в стандарте не рассматриваются, предполагается использование любых реализуемых процедур маршрутизации. Пакеты могут иметь различный объем поля данных от 16 байт до 4 кбайт, размер поля данных по умолчанию 128 байт. Предусмотрено 14 типов пакетов.

В сети X.25 используется следующая терминология: оконечные терминалы (узлы-потребители сетевых ресурсов) DTE, оборудование передачи данных (например, модемы) DCE, коммутаторы пакетов PSE. Для простых терминалов, которые в силу ограниченных функциональных возможностей не могут поддерживать необходимые сетевые процедуры, существуют "сборщики-разборщики" пакетов PAD. Для сети X.25 только PAD являются терминалами, а "неинтеллектуальные" терминалы получают доступ к сети, передавая и получая данные через PAD. Обычно PAD предусматривает подключение нескольких простых терминалов.

DTE получают доступ к сетевым ресурсам через PSE. PSE и структура их связей образуют "облако" (топологию) сети, они выполняют процедуры создания виртуальных каналов, передают пакеты по действующим виртуальным каналам. Виртуальные каналы в X.25 называют логическими каналами. Каждый физический канал в PSE поддерживает несколько логических каналов, каждый PSE в любом из своих портов поддерживает множество логических каналов.

Адресация DTE выполняется в соответствии со стандартом X.121, который обеспечивает единое мировое пространство адресов. Сетевые адреса, как указывалось ранее, составные, т.е. элементы адреса зависят от места нахождения DTE в облаке сети. Предусмотрено три варианта адресации с идентификаторами - десятичными цифрами:

· международный сетевой адрес с префиксом "0", содержащий код страны (250, 251 для России и СНГ), номер сети в стране (1 цифра) и номер узла (до 10 цифр);

· международный телефонный номер с префиксом "9", содержащий код страны (три цифры) и телефонный номер в стране (до 11 цифр);

· внутренний сетевой адрес, содержащий номер сети и номер узла (до 10 цифр).

Сети X.25 применяют при высоких требованиях к надежности передачи данных, эти протоколы поддерживаются многими маршрутизаторами, шлюзами и т.п. Однако передача данных производится с неопределенной задержкой, которая может изменяться в весьма широких пределах. Например, эти сети нельзя использовать даже для организации голосовой связи.

PSE в соответствии с протоколом X.25 не поддерживают обмен маршрутной информацией и оптимизацию маршрутов. Хотя реализуемые ими функции сложнее, чем коммуникационных устройств канального уровня, однако по сравнению с маршрутизаторами других сетевых технологий функции PSE существенно проще. PSE может поддерживать до 4096 логических каналов одновременно. Наиболее сложная процедура, не определенная в рамках протокола, - маршрутизация при создании логического канала. После создания логического канала для передачи пакетов используются не сетевые адреса, имеющие большие размеры, и алгоритмы маршрутизации, а идентификаторы логических каналов и таблицы коммутации портов PSE. Как уже отмечалось, процедуры доставки пакетов в созданном логическом канале во многом аналогичны процедурам канального уровня HDLC. Однако механизмы контроля работы логических каналов должны быть более строгими. На канальном уровне обеспечивается управление взаимодействием только двух устройств. В логическом канале кроме двух DTE должны корректно взаимодействовать несколько PSE. Благодаря высокой эффективности канального уровня вероятность искажения и потери пакетов невелика, однако строгие процедуры контроля работы логических каналов необходимы.

Протокол PLP определяет 5 режимов:

1) Установление соединения - процедура создания логического канала между DTE.

2) Режим передачи данных - обмен данными по логическому каналу, включая сегментацию, заполнение недостающих бит, контроль ошибок и управление потоком.

4) Сброс соединения - освобождение всех ресурсов, поддерживавших работу логического канала.

5) Режим рестарта.

Самую сложную структуру полей управления имеет пакет установления соединения CALL REQUEST.

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.

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 A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору , в данном случае E. Затем коммутатор E 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.

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 каналов , 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.

Читайте также: