Определенное сообщение которое передается последовательно от одного узла к другому в сети

Обновлено: 04.07.2024

Аннотация: Коммутация рассматривается с самых общих позиций, для чего вводятся понятия информационных потоков, коммутатора, ставится задача маршрутизации. Определяются процедуры мультиплексирования и демультиплексирования, подчеркивается их отличие от процедур разделения среды передачи данных.

Обобщенная задача коммутации

Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов ( абонентов ) должен идти в общем случае через транзитные узлы .

Например, в сети на рис. 5.1 узлы 2 и 4, непосредственно друг с другом не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы , в качестве которых могут использоваться, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных с интерфейса A на интерфейс B, а узел 5 — с интерфейса B на F.

Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом .

В самом общем виде задача коммутации — задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов — может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач:

Определение информационных потоков

Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, например через узел 5 проходят данные, направляемые узлом 4 каждому из остальных узлов, а также все данные, поступающие в узлы 3 и 10. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечивать их передачу именно на те свои интерфейсы, которые ведут к нужному узлу.

Информационным потоком ( data flow , data stream ) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков , который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.

Данные могут быть представлены в виде последовательности байтов или объединены в более крупные единицы данных — пакеты, кадры, ячейки. Например, все данные, поступающие от одного компьютера, можно определить как единый поток , а можно представить как совокупность нескольких подпотоков , каждый из которых в качестве дополнительного признака имеет адрес назначения. Каждый из этих подпотоков , в свою очередь, можно разделить на еще более мелкие подпотоки данных, например, относящихся к разным сетевым приложениям — электронной почте, копированию файлов , обращению к Web-серверу.

Понятие потока используется при решении различных сетевых задач и, в зависимости от конкретного случая, определяется соответствующий набор признаков. В задаче коммутации, суть которой — передача данных из одного конечного узла в другой, при определении потоков в роли обязательных признаков потока , очевидно, должны выступать адрес отправителя и адрес назначения данных. Тогда каждой паре конечных узлов будет соответствовать один поток и один маршрут.

Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания добиться одновременного использования различных каналов и тем самым ускорить передачу данных. В данном случае необходимо "пометить" данные, которые будут направляться по каждому из этих маршрутов.

Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение. В первом случае они однозначно определяют поток в пределах всей сети, а во втором — в пределах одного транзитного узла . Пара уникальных адресов конечных узлов для идентификации потока — это пример глобального признака. Примером признака, локально определяющего поток в пределах устройства, может служить номер (идентификатор) интерфейса устройства, с которого поступили данные. Например, узел 1 (рис. 5.1) может быть сконфигурирован так, что он передает все данные, поступившие с интерфейса А, на интерфейс С, а данные, поступившие с интерфейса D, на интерфейс В. Такое правило позволяет разделить два потока данных — поступающий из узла 2 и поступающий из узла 7 — и направлять их для транзитной передачи через разные узлы сети, в данном случае данные из узла 2 через узел 8, а данные из узла 7 — через узел 5.

Существует особый тип признака — метка потока . Метка может иметь глобальное значение, уникально определяющее поток в пределах сети. В таком случае она в неизменном виде закрепляется за потоком на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла назначения. В некоторых технологиях используются локальные метки потока , значения которых динамически меняются при передаче данных от одного узла к другому.

Определить потоки – это значит задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам.

Определение маршрутов

Определение пути, то есть последовательности транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату — сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Задача определения маршрутов состоит в выборе из всего этого множества одного или нескольких путей. И хотя в частном случае множества имеющихся и выбранных путей могут совпадать, чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном 1 На практике для уменьшения вычислительной работы ограничиваются поиском не оптимального в математическом смысле, а рационального, то есть близкого к оптимальному, маршрута. Это касается, прежде всего, случая, когда задача выбора маршрута формулируется как задача многокритериальной оптимизации. по некоторому критерию маршруте.

В качестве критериев выбора могут выступать, например:

номинальная пропускная способность;
загруженность каналов связи;
задержки, вносимые каналами;
количество промежуточных транзитных узлов ;
надежность каналов и транзитных узлов .

Заметим, что даже в том случае, когда между конечными узлами существует единственный путь, его определение при сложной топологии сети может представлять собой нетривиальную задачу.

Маршрут может определяться эмпирически ("вручную") администратором сети, который, используя различные, часто не формализуемые соображения, анализирует топологию сети и задает последовательность интерфейсов , которую должны пройти данные, чтобы достичь получателя. Среди побудительных мотивов выбора того или иного пути могут быть: особые требования к сети со стороны различных типов приложений, решение передавать трафик через сеть определенного провайдера, предположения о пиковых нагрузках на некоторые каналы сети, соображения безопасности.

Определить маршрут — однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.

Оповещение сети о выбранном маршруте

Направление передачи данных
номер интерфейса и/или адрес следующего узла

Передача информации о выбранных маршрутах так же, как и определение маршрута, может осуществляться и вручную, и автоматически. Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив конфигурацию устройства вручную, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов (так работали "телефонные барышни" на первых коммутаторах). Он может также по собственной инициативе внести запись о маршруте в таблицу коммутации . Однако поскольку топология сети и информационных потоков может меняться (отказ или появление новых промежуточных узлов, изменение адресов или определение новых потоков ), то гибкое решение задач определения и назначение маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации, что требует применения средств автоматизации.

Оповестить сеть о найденных маршрутах — это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он "знал", в каком направлении следует передавать каждый поток .

Коммутация каналов (circuit switching)

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

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

Коммутация пакетов (packet switching)

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

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

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

Выводы

Коммутация каналов (circuit (line) switching) — это способ организации прямой связи между двумя или несколькими абонентами для обмена информацией в реальном времени. Установление соединения при коммутации каналов осуществляется путем набора номера абонентом, который вызывает.

Коммутация пакетов (packet switching) — это способ организации связи между двумя конечным пунктами с помощью логических (виртуальных) каналов без установления прямой связи, передача данных в этом случае осуществляется с помощью пакетов. Виртуальные каналы могут быть двух видов: некоммутируемые (организовываются вручную (кроссированием) на заданный период времени) и коммутируемые (организовываются на каждый вызов абонента, на каждый такой вызов устанавливается определенный маршрут, и все пакеты данного вызова проходят по нему через сеть).

Коммутация виртуальных каналов (virtual switching) представляет собой такой вид коммутации, при котором сочетаются достоинства коммутации пакетов и коммутации каналов. Соединение в основном происходит на транспортном уровне модели взаимодействия открытых систем (OSI), а пользователь в таком случае освобождается от необходимости контролировать последовательность прохождения информации из сети.

Метод временной коммутации (time-division switching) — это такой метод коммутации каналов из временного мультиплексирования, основанном на распределения данных разных каналов, что коммутируются, во временный интервал внутри кадра. Временный коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в её элементы последовательно опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходе из возможностей элементов памяти. Сначала передается кодовая последовательность первого канала, затем другого канала и т.д., до последнего канала, после чего процесс периодически повторяется. Короткий промежуток времени, который отведен для передачи кодовой последовательности индивидуального канала, называется временным слотом (Time Slot - TS), таким образом, что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательностей TS, которые чередуются между собой. Временное разделение каналов требует синхронизации передаточного и приемного оборудования

В любой сети связи всегда применяется какой-либо способ коммутации, обеспечивающий с помощью коммутаторов доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети, каждый из которых соединяется с ближайшим коммутатором индивидуальной линией связи. В любой момент времени эта линия используется только одним абонентом, а между коммутаторами линии связи используются совместно многими абонентами.

В сетях с динамической коммутацией соединение абонента с любым другим устанавливается сетью по инициативе абонента, продолжается определенное время (от нескольких секунд до нескольких часов) и завершается также по инициативе абонента по окончании обмена информацией. Такой режим работы поддерживают телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией соединение между взаимодействующими пользователями устанавливается персоналом сети на длительное время (несколько месяцев и более). Режим постоянной коммутации популярен в сетях технологии SDH, где создаются выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабитов в секунду.

Некоторые сети поддерживают оба режима работы, например сети X.25 и АТМ.

При коммутации каналов между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной составной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации взаимодействия значительного числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании метода коммутации каналов передача информации обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая — прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого происходит соединение.

Коммутаторы и соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов, поэтому они должны быть высокоскоростными и поддерживать одну из двух техник мультиплексирования абонентских каналов:

-технику частотного мультиплексирования (FDM), когда для разделения абонентских каналов используется модуляция высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным сигналом, порождаемым звуковыми колебаниями (частотное разделение характерно, таким образом, для аналоговой модуляции сигналов);

— технику мультиплексирования с разделением времени (TDM), когда аппаратура TDM-сетей (мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры) работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Временное разделение характерно для цифрового кодирования. Сети TDM требуют синхронной работы всего оборудования, поэтому такая техника мультиплексирования имеет и другое название – техника синхронного режима передачи (STM). В настоящее время практически все данные (голос, изображение, компьютерные данные) передаются в цифровой форме, поэтому выделенные каналы TDM-технологии, обеспечивающие нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, компьютерных, телевизионных.

В качестве недостатков метода коммутации каналов можно указать следующие:

— большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;

— необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации каналов, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

— отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

— наращивание функций и возможностей сети ограничено;

— не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограничены).

Преимущества метода коммутации каналов:

— отработанность технологии коммутации каналов (первое коммутационное устройство появилось еще в конце XIX-го века);

— возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;

— обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;

— гарантированная пропускная способность сети после установления соединения (это важно при передаче голоса, изображения, управления объектами в реальном масштабе времени);

— довольно широкая область применения. Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является долговременный синхронный поток данных между взаимодействующими абонентами.

Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.

— недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

— выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры “главный — подчиненный”);

— каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением.

— отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами;

— возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

— реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

— возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

— отсутствие потерь запросов на обслуживание.

Описанный режим передачи пакетов, предполагающий независимую маршрутизацию каждого пакета, называется дейтаграммным.

— увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;

— легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий связи;

— осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;

— существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов.

Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом, а такой режим работы – передачей пакетов по виртуальному каналу. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи.

Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода коммутации каналов. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации каналов, что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.

В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.

Символьная коммутация (иначе: субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информационные биты, принадлежащие различным пользователям.

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Первое из них — уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе — обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факторов: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости передачи) и стоимости. Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновременным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей по небольшому количеству символов (информационных бит) и загрузки их в один пакет общего доступа.