Коммутация в телекоммуникационных сетях

Передача и распределение информационных сообщений между миллионами и сотнями миллионов источников и потребителей информации (условно абонентами) возможно на основе сетей связи.

Некоммутируемые каналы (или простые каналы, моноканал) создаются при соединении оконечных пунктов по принципу «каждый с каждым» (рис. 23). Связь между оконечными устройствами или терминалами (абонентами) осуществляется по постоянно закрепленным каналам. Коммутация каналов осуществляется на станции или узле коммутации, обеспечивающих последовательное соединение каналов на время передачи сообщений и линий связи вторичной сети (рис. 24). При таком соединении образуются составные каналы, называемые транзитными.

 

 

 

Рис. 23. Некоммутируемая сеть

 

Существуют системы с отказами заявок и системы с ожиданием заявок.

В системах с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы обслуживания заняты, немедленно получает отказ, покидает систему и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует. В системах с ожиданием заявка, заставшая все каналы занятыми, не покидает систему, а становится в очередь и ожидает, пока не освободится какой-нибудь канал.

Каждый из коммутируемых участков содержит число линий или каналов, которое зависит от интенсивности телефонного сообщения на данном участке, в данном направлении.

Системы коммутации представляют собой системы массового обслуживания (СМО). Примерами систем массового обслуживания могут быть транспортные системы (авиа, городской, железнодорожный транспорт и т.д.), сети бытового обслуживания (ателье, ремонтные мастерские), торговля, связь и т.д.

а) сеть арендованных каналов б) телефонная сеть

 

Рис. 24. Коммутируемая сеть

 

Распределение сообщений в таких сетях обеспечивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей сообщений. Они служат для уведомления о том какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значительно возрастают задержки при передаче сообщений, а в полносвязных сетях существенно возрастает число каналов связи.

Устранение этих недостатков связано с использованием коммутируемых cетей СПРС, в которых абоненты связаны между собой не непосредственно, а через один и пи несколько узлов (центров) коммутации (УК иди ЦК). Следовательно, коммутируемая СПРС представляет собой совокупность ОП, УК и соединяющих их линий передачи. Такая сеть позволяет более полно использовать пропускную способность каналов связи, которые являются самой дорогостоящей частью любой сети. Поэтому коммутируемые сети получили более широкое распространение.

Для доставки сообщений в сетях электросвязи могут быть установлены соединение двух видов - долговременные и оперативные. Долговременной или кроссовой коммутацией называется способ, при котором между двумя точками сети устанавливается постоянное прямое соединение, длительность которого измеряется часами, сутками и т.д. Каналы связи, участвующие в таких соединениях, называются выделенными.

Более распространенной является оперативная коммутация, когда между двумя точками сети организуется временное соединение.

Известны два основных принципа оперативной коммутации:

- непосредственное соединение;

- соединение с накоплением информации.

При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами.

При соединении с накоплением сигналы из входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающее устройство (ЗУ), а затем поступают в исходящие каналы по мере их освобождения.

Системы, реализующие непосредственное соединение, называются системами о отказами, а соединение с накоплением информации - системами сожиданием. Различие в месте и способе хранения существенно влияет на услуги, оказываемые абонентам сети.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК).

Коммутация каналов - это совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного физического канала между ОП через УК и монопольным использованием канала до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто. Примером та­кого соединения является модемное соединение по коммутируемому те­лефонному каналу. Пользователь, инициирующий модемное соединение, дозванивается по установленному номеру телефона. В результате дозвона между пользовате­лем и провайдером коммутируется физический канал, по которому будут передаваться данные, причем на все время, пока установлено соединение, данный канал будет занят. При коммутации каналов сначала организуется сквозной канал между абонентами через УК, а затем происходит передача сообщений. Установленное соединение ликвидируется после соответствующего решения абонентов.

Достоинства коммутации каналов состоят в следующем:

- после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время, независимо от нагрузки других абонентов;

- передача осуществляется с фиксированной задержкой, т.е в реальном масштабе времени (режим диалога).

Недостатки этого способа установления соединений заключаются в неэффективном использовании ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами получаются длительные паузы.

При коммутации с накоплением ОП постоянно связан со своим УК (или несколькими УК) и передает ему сообщения, которые затем через другие УК передаются соответствующим абонентам. Существуют две разновидности систем с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП).

Вследствие небольшой длины пакетов (обычно порядка тысячи бит) и применена высокопроизводительных центров коммутации пакетов (ЦКП) принцип КП по сравнению с КС позволяет существенно снизить время доставки сообщения получателю и организовать диалоговый режим передачи. Основной особенностью сетей с КП является высокая степень использования связных ресурсов за счет временного разделения канального и коммутационного оборудования между многими пользователями и высокоскоростной передачи сравнительно коротких пакетов, В табл. 2. приведены для сравнения характеристики сетей с различными способами коммутации.

В сетях с коммутацией пакетов сообщение предварительно разделяется на пакеты фиксированной длины, каждому паекту прикрепляется заголовок - пакеты нумеруются, при этом канал передачи данных занят только на время передачи пакета и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов. В системах с коммутацией пакетов сообщения допускается чередование пакетов разных источников, поэтому короткие сообщения никогда не выстраиваются в очередь за длинными сообщениями, такими как передача файлов.

Сети с коммутацией пакетов обладают рядом существенных преимуществ:

- во-первых, повышается скорость передачи данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача па­кетов одного сообщения по разным участкам сети;

- во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача ко­роткого пакета, а не всего длинного сообщения;

- в-третьих, возможность ограничения размера пакетов позволяет ис­пользовать меньший объем буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях с коммутацией пакетов возможны два режима работы:

- установление виртуального соединения (КП-В);

- передача дейтаграмм (КП-Д).

В режиме КП-В перед передачей сообщения между отправителем и получателей организуется виртуальный канал, по которому передаются все пакеты данного сообщения. Термин «виртуальный канал», предложенный Международным союзом электросвязи (МСЭ), означает «кажущийся, физический не существующий канал», для установления логического двухточечного соединения между отправителем и получателем сообщения.

Передача сообщений осуществляется следующим образом: по специальному сигналу «Запрос вызова» устанавливается соединение с оконечным узлом, который записывается в память станций, и передача пакетов осуществляется строго по выбранному каналу. Принимающий узел подтверж­дает прием каждого пакета (троекратное квитирование). В случае, если один пакет не получен или пе­редан неправильно - с ошибками, осуществляется его повторная передача.

В режиме КП-Д виртуальное соединение предварительно не устанавливается и каждый пакет, называемый дейтаграммой, передается и обрабатывается в сети как самостоятельное сообщение. Каждая дейтаграмма содержит адрес, что увеличивает объем служебной информации и снижает коэффициент использования каналов. Кроме того, независимая передача пакетов приводит к нарушению порядка их выдачи пользователю.

 

3, 1

5, 3, 1

 

 

5 3, 1

6, 4, 2

 

Передаваемый пакет 6, 4 Принятый пакет

 

2 2

 

 

Рис. 25. Дейтаграммный способ передачи пакетов

 

Маршрут доставки пакетов постоянно и быстро корректируется в зависимости от топологии сети или нагрузки. Это приводит к тому, что рядом расположенные пакеты одного сообщения могут передаваться в пункт назначения разными путями и не в той последовательности, в которой передавались изначально. Выбор маршрута доставки пакетов процесс довольно длительный, в результате чего может оказаться ситуация, когда в незагруженный узел коммутации (транзитный или узел коммутации - получатель информации) в момент принятия решения о маршруте может прийти большая нагрузка, на которую данный узел не рассчитан, и в этом случае возможен возврат пакета узлу – отправите-лю. Процесс «сборки» пакетов в сетях с коммутацией пакетов сложный, т.к. пакеты, принадлежащие одному сообщению, могут передаваться различными путями. В пункт назначения пакеты могут прибыть не в той последователь

ности, в какой эти пакеты передавались, либо задержаться, либо потеряться частично или полностью, о чем не знает пункт (узел коммутации) назначения.

Восстановление правильного порядка следования пакетов связано с усложнением соответствующих процедур передачи. Эти недостатки ограничивают применение режима КП-Д. С другой стороны, преимуществом КП-Д является возможность передачи пакетов одного и того же сообщения одновременно по разным маршрутам. При этом сокращается время доставки сообщения и обеспечивается более высокая надежность доставки в условиях отказов отдельных элементов сети. Кроме того, режим КП-Д обеспечиваeт более гибкую маршрутизацию пакетов и, как следствия, более эффективное использование сетевых ресурсов.

 

Сравнительная характеристика методов коммутации Табл. 3

Коммутация каналов	Коммутация сообщений	Коммутация пакетов
Реализуется на базе временного прямого электрического соединения	Отсутствует прямое электрическое соединение	Отсутствует прямое электрическое соединение]
Отсутствует накопление сообщений	Сообщение накапливается во внешнем запоминающем устройстве	Накапливаются небольшие части сообщений в оперативном запоминающем устройстве
Возможен обмен в реальном времени, возможен диалог	Диалог невозможен	Диалог возможен
Тракт организуется на время длительности одного соединения	Тракт устанавливается для каждого сообщения между соседними ЦКС	Тракт устанавливается для каждого пакета или на время сеанса
Основная задержка - при установлении соединения	Основная задержка - при передаче	Весьма небольшие задержки при установлении соединена я и передаче
Сеть работает как система с отказами	Сеть работает как система с ожиданием	Сетъ работает как система с ожиданием и отказами
При перегрузке имеют место отказы	При перегрузке возрастают задержки в доставке	При перегрузке возрастают задержки в доставке, но они существенно меньше, чем в сетях с КС. Также возникают и отказы, но вероятность их на порядок меньше, чем в сети с КК
Защита сообщений выполняется пользователем	Основные функции защиты реализуются в сета	Основные функции защиты реализуются в сети
Невозможны преобразования скоростей, кодов, форматов	Возможны преобразования скоростей, кодов, форматов	Возможны преобразования скоростей, кодов, форматов
Экономичная сеть при низких объемах нагрузки	Экономичная сеть яри больших объемах нагрузки	Экономичная сеть при больших объемах нагрузки

 

В настоящее время сетевыми протоколами предусматривается использование обоих режимов с некоторым предпочтением КП-В. Сравнение режимов КП-В и КП-Д приведено в табл. 4.

Сравнение режимов КП-В и КП-Д Табл. 4.

Характеристика	Режим передачи пакетов
КП-Д	КП-В
Установление соединения	Не устанавливается	Устанавливается логический канал между абонентами, запоминаемый в маршрутной таблице ЦКП
Управление входящим потоком сообщений	Между любым ЦКП и подключенным к нему абонентом	На входе виртуального канала
Адресация	Полный адрес получателя передается в каждом пакете	Полный адрес пoлyчaтeля передается только при установлении соединения
Процедура передачи пакетов по сети	Каждый пакет передается независимо от другого	Пакеты передаются по логическому каналу, устанавливаемому для данной пары пользователей
Эффективность использования сетевых ресурсов	Обеспечивается за счет очередей, динамической маршрутизации для каждого пакета	Обеспечивается за счет очередей, выбора оптимального пути передачи в момент установления соединения и временной разделения логического канала

 

У каждого метода коммутации своя область применения. Поэтому используют разные методы коммутации на сетях с разнородными абонентами. Например, при небольшой средней нагрузке и передаче большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика. В этом случае предпочтительнее использовать систему с КК. КС эффективнее использовать при передаче многоадресных сообщений, обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности при большой загрузке абонентских установок. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.4. Маршрутизация в сетях коммутации пакетов

Маршрутизацией называется процесс выбора пути через сеть, по которому будет передаваться сетевой трафик. Процесс марш­рутизации обеспечивается в сетях многих типов, в том числе в те­лефонных и транспортных сетях. Рассмотрим процесс маршрутизации применительно к сетям Интернет.

В сети Интернет дейтаграммы передаются от источника к пункту назначения, используя адрес пункта назначения в адресном поле заголовка пакета. Как было отмечено выше, ключевым элементом сети Интернет является маршрутизатор, задачей которого являет­ся определение пути (маршрута), по которому будут передаваться датаграммы от источника к получателю. Маршруты делятся на две группы:

- статические маршруты (например, изменяющиеся по расписа­нию);

- динамические маршруты, вычисляемые с помощью алгоритмов маршрутизации на основе информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации.

Каждый маршрутизатор вдоль пути передачи пакетов формиру­ет собственную таблицу маршрутизации, в которой задаются все возможные пути к другим маршрутизаторам и хостам в сети. Оп­тимальные маршруты определяются по числу маршрутизаторов на пути между источником и получателем (статическая маршрутиза­ция) или по сетевым параметрам, таким как задержки, надежность, пропускная способность (динамическая маршрутизация).

Маршрутизатор считывает адрес назначения из заголовка посту­пившего пакета (который может быть как фрагментом, так и полной датаграммой) и использует таблицу маршрутизации для пересылки пакета к соответствующему выходному интерфейсу.

Размер фрагмента определяется размером кадра на уровне звена данных. Так, для протокола двухточечных соединений уров­ня РРР (одного из самых распространенных в сетях Интернет) и для Ethernet максимальный размер кадра (максимальный размер информационного блока на уровне звена данных) не должен пре­вышать 1500 байтов (по сравнению с 256 байтами для протокола Х.25).

На рис. 26 показан принцип фрагментации датаграмм.

Хост А сети А посылает датаграмму D к хосту В сети В. В том случае, если размер датаграммы превышает размер поля полез­ной нагрузки кадра, допустимого в маршрутизаторах, датаграмма фрагментируется (в нашем примере - на два фрагмента, D₁ и D₂). Фрагменты одной датаграммы передаются от маршрутизатора к маршрутизатору по независимым путям и затем собираются в мар­шрутизаторе, который относится к сети назначения В. Заголовок каждого фрагмента является копией заголовка исходной датаграм­мы, показанного черным цветом.

 

Рис. 26. Принцип фрагментации датаграмм уровней. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь между узлами вычислительной сети могла состояться. Взаимодействие между уровнями осуществляется по протоколам (протокол - свод правил и форматов, определяющих взаимодействие АС): .

СОДЕРЖАНИЕ

1.5. Модель взаимодействия открытых систем OSI/ISO

Методическую основу компьютерных сетей составляет разработанная в 1977-1984 гг. Международной организацией по стандартизации (ISO) модель сетевой архитектуры, известная под названием базовой эталонной модели (Basic Reference Model). Основные элементы сети – это абонентские системы (АС) и физическая среда для передачи информации. АС, представляющие собой рабочие станции пользователей и устройства коллективного пользования, обеспечивают некоторый прикладной процесс – тот или иной вид обработки, доставки и отображения информации для нужд пользователя. Под физической средой понимается и отображения информации для нужд пользователя. Под физической средой понимается совокупность цифровых каналов, позволяющих передавать биты информации.

Взаимодействие АС может иметь различный уровень иерархии преобразования информации при обмене. Характер АС регламентируется международным стандартом: семиуровневой моделью OSI/ ISO (Open System Interconnection - взаимодействие открытых систем). Сеть, содержащая АС, которые удовлетворяют этой модели, является открытыми системами, открытой сетью. Все современные компьютерные сети открытые. Станции открытых сетей могут взаимодействовать с АС любых других сетей, выполненных по стандартам OSI. взаимодействовать с АС любых других сетей, выполненных по стандартам OSI.

Эталонная модель OSI/ ISO условно делит задачу организации обмена данными между узлами вычислительной сети через физическую среду передачи на 7 менее крупных, но более простых задач. В соответствии с этим подходом эталонная модель OSI/ ISO включает 7 уровней. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь между узлами вычислительной сети могла состояться. Взаимодействие между уровнями осуществляется по протоколам (протокол - свод правил и форматов, определяющих взаимодействие АС):

. Уровень 7 – прикладной, обеспечивает работу сетевых приложений, т.е. является интерфейсом с прикладными процессами.

Уровень 6 – представительный, согласует форму представления информации в нужной форме (изображение, распечатка, строка символов и т.д.);

Уровень 5 – сеансовый, управляет передаче информацией между прикладными процессами, обеспечивает обработку имен, паролей и прав доступа при открытии сеанса связи;

Уровень 4 – транспортный, обеспечивает доставку информации от одного приложения к другому, т.е. обеспечивает сквозной обмен информацией между системами;

Уровень 3 – сетевой, определяет путь следования (Маршрутизация);

Уровень 2 - канальный, управляет работой канала (формирование пакета), обеспечивает форматирование и защиту информации от искажений;

Уровень 1 - физический, обеспечивает интерфейс (стык, соединение) с физической средой и служат для передачи информации по каналам связи.

Физическую среду также называют нулевым уровнем (уровень 0).

 

 

Схема формирования блока данных представлена на рис. 27.

Каждый уровень взаимодействует с соседними, более низкие уровни являются помощниками для верхних уровней. Протоколы, используемые в модели OSI/ ISO, позволяют соединять АС разных типов сетей, выполненных не только по модели OSI, но и по другим стандартам.

 

 

 

 

В линии связи

 

 

Рис. 27. Схема формирования блока данных

 

Для передачи данных от источника к получателю с заданной достоверностью, надежностью и минимальным временем доставки используются системы передачи данных. Системы передачи данных представляют собой совокупность оконечного оборудования данных (узлов связи), соответствующего программного обеспечения прикладных процессов пользователей, терминалов, аппаратуры ПД, периферийного устройства и т.д. (рис. 28).

 

Рис. 28. Упрощенная структурная схема системы передачи данных

СОДЕРЖАНИЕ

ПРОВЕРЬ СЕБЯ! ТЕСТИРОВАНИЕ ПО ТЕМЕ.