5.Коммутация в сетях

Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая, таким образом, необходимости создания | специальных линий связи.

Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоростью передачи. Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения абонентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разделения. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затратами при большом количестве монопольно используемых связных ресурсов в двухточечном режиме.

Коммутируемой транспортной .сетью назывался сеть, в которой между двумя (или более)конечными пунктами устанавливается' связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть.

Существуют следующие методы коммутации:

коммутация цепей (каналов);

коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь, разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Коммутация цепей. При коммутации цепей (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 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 необходимости организации взаимодействия значительного числа 'устройств коммутаций. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании, метода коммутации цепей 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.

В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

• длительное время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобожденияотдельных его участков;

• необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны иликакого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этимсистема, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерейзапросов на обслуживание);

отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

возможность монополизации канала одним источником информации;

наращивание функций и возможностей сети ограниченно;

не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузкивесьма ограниченны).

Преимущества метода коммутации цепей;.. •

отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилосьеще в конце XIX в.);

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

обеспечение, как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦККмежду абонентами;

довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).

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.

Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 60—-70-х гг. и до сих пор широко используется в некоторых областях (в электронной почте,- электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутаций с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа “запомнить и послать”. Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение “главный - подчиненный”. Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до. пункта' назначения. Более того, транзитный узел не может начинать Дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки .это равноценно низкому уровню использования^ ресурсов сети.

Недостатки метода коммутации сообщений:

необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлахсвязи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;

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”);

коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности;

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

Преимущества метода:

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

Коммутация пакетов, появившаяся в 70 е годы ХХ века, сочетает в себе преимущества коммутации, каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого | времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов (коммутаторов) сети.

При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи |разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной | информацией: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в | сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие | одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе 1 дейтаграмм. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами ^ коммутации пакетов (ЦКК) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКК не | предполагается, поэтому пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из | них формируется первоначальное сообщение.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов, позволяет: I •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 повреждённых 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. 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 цепей: Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чём для коммутации цепей, что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации. В настоящее время пакетная коммутация являётся основной для передачи данных.

Символьная коммутация (субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутаций. 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 стано- вится 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 битов) и загрузки их в один пакет общего доступа.

Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации и обеспечивающего более эффективное управление разнородным графиком.