Способы коммутации данных

 

Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

· коммутация каналов (circuit switching);

· коммутация сообщений (massage switching);

· коммутация пакетов (packet switching).

Коммутация каналов – образование непрерывного физического канала из последовательно соединенных отдельных участков сети. Установление связи между источником и адресатом производится путем посылки пунктом отправления сигнализирующего сообщения, которое, перемещаясь по сети передачи данных от одного узла коммутации каналов к другому и занимая пройденные каналы, прокладывает путь от источника к пункту назначения. Этот путь (составной канал) состоит из физических каналов, имеющих одну и ту же скорость передачи данных. Об установлении физического соединения из пункта назначения в источник посылается сигнал обратной связи. Затем из источника передается сообщение по установленному пути с одновременным использованием всех образующих его каналов, которые оказываются недоступными для других передач, пока источник их не освободит.

Отдельные участки сети (каналы) соединяются между собой специальной аппаратурой – коммутаторами.

С целью увеличения пропускной способности линий связи коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать мультиплексирование абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются следующие технологии:

· частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM);

· временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования была разработана для телефонных сетей, но применяется в настоящее время и для других сетей (кабельное телевидение и др.).

Коммутация каналов на основе временного мультиплексирования ориентирована на дискретный характер передаваемых данных.

Коммутация пакетов позволяет добиться дальнейшего увеличения пропускной способности сети, скорости и надежности передачи данных.

Суть метода заключается в следующем. Поступающее от абонента сообщение подвергается пакетированию, т.е. разбивается на пакеты, имеющие фиксированную длину, например 1 Кбит. Каждый пакет снабжается заголовком (З), в котором находится адресная информация, а также номер пакета, необходимый для сборки сообщения. Пакеты транспортируются как независимые информационные блоки. Принцип коммутации пакетов показан на рис. 16.

Заголовок сообщения

Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг друга, а в конечном итоге получателю сообщения. Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. В пункте назначения из пакетов формируется исходное сообщение.

Различают четыре режима передачи пакетов между двумя конечными узлами сети:

· дейтаграммный режим;

· режим виртуального вызова;

· метод коммутации пакетов с установлением виртуального канала;

· метод коммутации пакетов с виртуальным соединением.

Режим дейтаграмм допускает независимое перемещение по сети пакетов сообщения и не требует предварительного установления логического соединения, т.е. без предварительного уведомления потребителя о передаче.

Дейтаграмма (datdgram) – один пакет данных с сопутствующей информацией о пункте назначения, передаваемый в сети с пакетной коммутацией.

При этом пакеты одного и того же сообщения могут передаваться по разным маршрутам.

Основным достоинством этого режима является высокая степень использования линии связи, а также малое время передачи сообщения за счет параллельной передачи пакетов по различным путям и начала связи без предварительного вхождения в связь с потребителем информации.

Эти преимущества обеспечиваются независимой маршрутизацией каждого пакета. При этом коммутатор может изменить маршрут любого пакета в зависимости от состояния сети – работоспособности каналов и других коммутаторов, длины очереди пакетов в соседних коммутаторах и т.п.

Основные недостатки:

· из-за передачи пакетов одного сообщения по разным путям к потребителю пакеты могут прийти не в той последовательности и их придется переставлять;

· может оказаться, что абонент не сможет принять все пакеты сообщения, так как в абонентских пунктах не резервируется память для приема сообщения. Это может привести к перегрузке памяти входящего узла коммутации, который при этом откажет в приеме пакетов от других узлов коммутации. В результате некоторые пакеты будут блокироваться в сети и не смогут достичь пункта назначения;

· на сети возможны «тупиковые ситуации», возникающие в том случае, когда поступающий в сеть поток пакетов превышает допустимый. В результате сеть перегружается, в ней непрерывно циркулируют пакеты, но ни один из них не передается потребителю, и сеть не принимает новых пакетов.

Режим виртуального вызова отличается от дейтаграммного тем, что перед тем как передать пакеты сообщения в сеть, источник посылает специальный пакет (пакет виртуального вызова) с информацией о том, что собирается передать в данный абонентский пункт (приемнику сообщения) сообщение с указанием его величины.

Получив пакет виртуального вызова, приемник резервирует память для приема этого сообщения и посылает ответный пакет о согласии приема. после поступления ответного пакета, источник информации начинает сеанс связи. В случае если приемник не имеет возможности принять данное сообщение он или передает ответный пакет с отказом или ничего не передает, и сеанс связи не начинается.

Таким образом, устраняется второй недостаток дейтаграммного режима, что приводит к уменьшению вероятности перегрузки сети (уменьшается вероятность возникновения тупиковых ситуаций). Однако при этом увеличивается время передачи сообщения и усложняется сам этот процесс.

Режим установки виртуального канала отличается от предыдущего фиксацией маршрута передачи пакетов одного и того же сообщения, т.е. пакеты, передаваемые в течение одного сеанса связи передаются по одному и тому же маршруту.

Метод коммутации пакетов с виртуальным соединением практически полностью устраняет недостатки предыдущего метода, а именно: из-за того, что ресурсы в линии и в устройствах коммутации не закрепляются за виртуальным каналом, остается вероятность прихода пакетов к абоненту в перепутанной последовательности. В последней модификации метода коммутации пакетов этого не происходит.

Данная модификация метода коммутации пакетов близка по организации связи к методу коммутации каналов. Если принять, что при вызове будут зарезервированы и временные интервалы в транзитных линиях для передачи пакетов, то коммутация пакетов превратится в аналог коммутации каналов.

Коммутация сообщений. При этом методе физическое соединение устанавливается только между соседними узлами сети (называемые центрами или узлами коммутации сообщений) и только на время передачи сообщения. Каждое сообщение снабжается заголовком и транспортируется по сети как единое целое. Поступившее в узел сообщение запоминается в его буферном запоминающем устройстве и в подходящий момент, когда освободится соответствующий канал связи, передается в следующий, соседний узел. Сообщение как бы прыгает от одного узла к другому, занимая в каждый момент передачи только канал между соседними узлами, при этом виртуальный канал между источником и адресатом может состоять из физических каналов с разной скоростью передачи данных.

Коммутация сообщений по сравнению с коммутацией каналов позволяет ценой усложнения аппаратуры узла коммутации уменьшить задержку при передаче данных и повысить общую пропускную способность сети передачи данных.

В компьютерных сетях под методом коммутации сообщений понимают передачу единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера.

Буферизация (buffering) – процесс использования буфера или буферов для размещения передаваемых данных, например, направляемых в устройства ввода-вывода или из этих устройств.

Буфер – место промежуточного хранения данных: зарезервированная область памяти, в которой данные хранятся до их перемещения в запоминающее устройство или из него либо в другую область памяти.

Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими ограничениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Сообщением может быть текстовый документ, электронное письмо и т.п. транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть перегружена. По такой схеме передают сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.