Методи комутації
Матеріал з ПІЕ.
У загальному випадку вирішення кожної з приватних задач комутації - визначення потоків і відповідних маршрутів, фіксація маршрутів у конфігураційних параметрах і таблицях мережевих пристроїв, розпізнавання потоків і передачі даних між інтерфейсами одного пристрою, мультиплексування/демультиплексування потоків і поділ середовища передачі - тісно пов'язане з рішенням всіх решти. Комплекс технічних рішень узагальненої задачі комутації разом складає базис будь-якої мережевої технології. Від того, який механізм прокладання маршрутів, просування даних та спільного використання каналів зв'язку закладений у тій чи іншій мережній технології, залежать її фундаментальні властивості.
Серед безлічі можливих підходів до вирішення завдання комутації абонентів у мережах виділяють два основні:
• комутація каналів (circuit switching);
• комутація пакетів (packet switching).
Загальна структура мережі з комутацією абонентів (малюнок)
Зміст
Комутація каналів
При комутації каналів комутаційна мережа утворює між кінцевими вузлами безперервний складовий фізичний канал із послідовно з'єднаних комутаторами проміжних канальних ділянок. Умовою те, що кілька фізичних каналів при послідовному з'єднанні утворюють єдиний фізичний канал, є рівність швидкостей передачі у кожному зі складових фізичних каналів. Рівність швидкостей означає, що комутатори такої мережі не повинні буферизувати дані, що передаються.
У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої створюється складовий канал. І лише після цього можна починати передавати дані.
Позитивні якості комутації каналів
Недоліки комутації каналів
1. Відмова мережі в обслуговуванні запиту встановлення з'єднання. Така ситуація може скластися через те, що на ділянці мережі з'єднання потрібно встановити вздовж каналу, через який проходить максимально можлива кількість інформаційних потоків. Відмова може статися і на кінцевій ділянці складового каналу, наприклад, якщо абонент здатний підтримувати лише одне з'єднання. 2. Нераціональне використання пропускної спроможності фізичних каналів. Та частина пропускної спроможності, яка відводиться складовому каналу після встановлення з'єднання, надається йому весь час, тобто. доки з'єднання не буде розірвано. Однак абонентам не завжди потрібна пропускна спроможність каналу під час з'єднання. Неможливість динамічного перерозподілу пропускної спроможності обмежує мережу з комутацією каналів, оскільки одиницею комутації є інформаційний потік загалом. 3. Обов'язкова затримка перед передачею даних через фазу з'єднання.
Комутатори, а також канали, що з'єднують їх, повинні забезпечувати одночасну передачу даних декількох абонентських каналів. Для цього вони мають бути високошвидкісними та підтримувати будь-яку техніку мультиплексування абонентських каналів.
В даний час для мультиплексування абонентських каналів використовуються дві техніки:
Комутація пакетів
Ця техніка комутації спеціально розроблена для ефективної передачі комп'ютерного трафіку. Перші кроки на шляху створення комп'ютерних мереж на основі техніки комутації каналів показали, що цей вид комутації не дозволяє досягти високої загальної пропускної здатності мережі.
Комутатори пакетної мережі відрізняються від комутаторів каналів тим, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, якщо вихідний порт комутатора в момент прийняття пакета зайнятий передачею іншого пакета (рисунок). У цьому випадку пакет знаходиться деякий час у черзі пакетів у буферній пам'яті вихідного порту, а коли до нього дійде черга, він передається наступному комутатору. Така схема передачі дозволяє підвищувати пропускну здатність мережі.
Для кількох абонентів найбільш ефективним було б надання їм в одноосібне користування скомутованого каналу зв'язку. У разі час взаємодії абонентів було мінімальним, оскільки дані без затримок передавалися від одного абонента іншому. Простои під час пауз не значні для абонентів. Мережа з комутацією пакетів уповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, оскільки їх пакети можуть у комутаторах.
Тим не менш, загальний обсяг передаваних мережею комп'ютерних даних в одиницю часу при техніці комутації пакетів буде вищим, ніж при техніці комутації каналів. Це тому, що пульсації окремих абонентів відповідно до законом великих чисел розподіляються у часі отже їх піки не збігаються. Тому комутатори постійно і досить рівномірно завантажені роботою, якщо кількість абонентів, що обслуговуються ними, дійсно велика. На малюнку показано, що трафік, що надходить від кінцевих вузлів на комутатори, розподілений у часі нерівномірно. Однак комутатори вищого рівня ієрархії, які обслуговують з'єднання між комутаторами нижнього рівня, завантажені рівномірніше, і потік пакетів у магістральних каналах, що з'єднують комутатори верхнього рівня, має майже максимальний коефіцієнтвикористання.
Затримки у джерелі передачі:
• час передачі заголовків;
• затримки, викликані інтервалами між передачею кожного наступного пакета.
Затримки у кожному комутаторі:
• час буферизації пакета;
• час комутації, що складається з:
1.часу очікування пакета в черзі (змінна величина);
2.часу переміщення пакета у вихідний порт.
X.25 - це міжнародний стандарт передачі пакетів громадськими мережами. Він підтримує лінії передачі даних із середньою чи високою швидкістю передачі постійного чи періодичного використання. Типовим використанням є системи електронної пошти. Стандарт X.25 часто застосовується для організації міжнародних мереж.
X.25 - визначено комітетом CCITT і визначає, як інформація розбивається на пакети і передається по мережі X.25. Для зв'язку локальної мережі з мережею X.25 використовується міст чи маршрутизатор. Доступ до мережі здійснюється через лінію, що орендується, або лінію з викликом за номером. Виділені лінії зазвичай використовують синхронний зв'язок, що збільшує пропускну здатність і мають швидкість передачі від 19.2 до 64 Кбіт/сек. Лінії із викликом за номером використовують асинхронні методи та вимагають модемів, які мають власні засоби корекції помилок. Швидкість передачі залежить від швидкості модему.
Метод перемикання вікна
Метод перемикання вікна – це новий метод, створений на основі специфікації ISDN. Метод перемикання вікна спрощує та покращує комутацію пакетів, усуваючи пов'язану з X.25 обробку мережного рівня. Мультиплексування та усунення логічних з'єднань виконується на рівні зв'язку даних.
Цей метод все ширше застосовується у громадських та приватних мережах. Грунтуючись набільшої надійності сучасних ліній, він усуває деякі витрати X.25. Наприклад, у X.25 дані переміщуються з джерела через два або більше проміжних вузла, і кожен з цих вузлів повинен підтвердити отримання, надіславши підтвердження вузлу, що передало. Коли пакет нарешті досягає одержувача, він повинен надіслати підтвердження джерела. Метод перемикання вікна вимагає цього останнього кроку. В результаті цей метод забезпечує більшу пропускну здатність. Таблиця стану, яка використовується в X.25 на кожному проміжному вузлі для перевірки помилок, управління потоком даних та перевірки помилок у методі перемикання вікна не потрібно.
Кошти з методом перемикання вікна надають такі фірми як Compuserve, Tymenet, Williams Telecommunications та ін.
Переваги комутації пакетів
1. Висока загальна пропускна здатність мережі під час передачі пульсуючого трафіку. 2. Можливість динамічно перерозподіляти пропускну спроможність фізичних каналів зв'язку між абонентами відповідно до реальних потреб їх трафіку.
Недоліки комутації пакетів
1. Невизначеність швидкості передачі між абонентами мережі, обумовлена тим, що затримки в чергах мережі залежить від загального завантаження мережі. 2. Змінна величина затримки пакетів даних, яка може бути досить тривалою в моменти миттєвих навантажень мережі. 3. Можливі втрати даних через переповнення буферів.
Комутація повідомлень
Транзитні комп'ютери можуть з'єднуватися між собою мережею з комутацією пакетів, так і мережею з комутацією каналів. Повідомлення (це може бути, наприклад, текстовий документ, файл із кодом програми, електронний лист) зберігається в транзитному комп'ютері на диску, причомуДосить тривалий час, якщо комп'ютер зайнятий іншою роботою або мережа тимчасово перевантажена. За такою схемою зазвичай передаються повідомлення, які потребують негайної відповіді, найчастіше повідомлення електронної пошти. Режим передачі із проміжним зберіганням на диску називається режимом "зберігання-і-передачі" (store-and-forward). Режим комутації повідомлень розвантажує мережу для передачі трафіку, який вимагає швидкої відповіді, наприклад, трафіку служби WWW або файлової служби.
Техніка комутації повідомлень з'явилася в комп'ютерних мережах раніше техніки комутації пакетів, але потім була витіснена останньою, як ефективнішою за критерієм пропускної спроможності мережі. Запис повідомлення на диск займає досить багато часу, і крім того, наявність дисків передбачає використання як комутаторів спеціалізованих комп'ютерів, що спричиняє суттєві витрати на організацію мережі.
Інші види комутацій
Ethernet-комутація - метод підвищення пропускної спроможності в багатосегментних мультисерверних та однорангових локальних мережах за допомогою заміни концентраторів, мостів та маршрутизаторів на комутатори.
Ethernet-комутація з повнодуплексним обміном(Full duplex switched Ethernet)
Ethernet-коммутация з повнодуплексним обміном - режим дуплексного обміну, реалізований у мережах Ethernet, побудованих з урахуванням комутирующих концентраторів з виділеними сполуками. У таких мережах через кожен порт можуть вестись прийом та передача даних.
Інтегральна комутація(Integrated switching)
Інтегральна комутація - універсальний пакетно-орієнтований метод комутації, що забезпечує одночасне проходження кількох блоків даних.
Комутація портів(Port switching)
Комутація портів -здатність модульних концентраторів ставити у відповідність програмними засобами один або кілька портів з різними сегментами мережі, якщо кожен сегмент представлений власним модулем.
Комутація із запам'ятовуванням(Store-and-forward)
Комутація із запам'ятовуванням - спосіб комутації, у якому ретрансляційна система повністю отримує блок даних, та був передає його. Комутація із запам'ятовуванням забезпечує виявлення помилок за допомогою циклічного надлишкового коду.
Комутація через точку перетину(Cross-point switching)
Комутація через точку перетину - спосіб сегментації локальних мереж з топологією типу зірка і середовищем передачі, що розділяється, при якому до комутатора з одного боку підключаються концентратори сегментів, а з іншого - сервери.
Комутація осередків(Cell relay)
Комутація осередків - мережна технологія, що забезпечує апаратну швидкісну комутацію даних, упакованих у комірки постійної довжини. Комутація осередків виконується вузлами інтегральної комутації.
Наскрізна комутація(Cut-through switching)
Наскрізна комутація - спосіб комутації, у якому блок даних починає передаватися ретрансляційної системою доти, як він буде повністю отриманий.
Швидкісна комутація даних(High speed data switching)
Швидкісна комутація даних - методологія швидкої передачі в мережі блоків даних, що передбачає:
1. виконання функцій комутації та маршрутизації тільки апаратним шляхом;
2.відмова від перевірки блоків даних у всіх проміжних вузлах.
Змішана комутація(Mixed switching)
Змішана комутація - комплексний транспортний сервіс, що забезпечує комутацію каналів та комутацію пакетів у мережах ISDN. При змішанійКомутації наявні в комунікаційній мережі логічні канали використовуються для комутації каналів та створення послідовностей, що з'єднують пари адміністративних чи абонентських систем. По вільним каналам здійснюється передача блоків даних як комутації пакетів.