5.3.Коммутация пакетов

Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика (трафик – объём данных, принимаемых или передаваемых сетевым устройством). Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт.

При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией (заголовком): 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 (контрольная сумма). Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же блоку информации, могут передаваться одновременно по различным маршрутам. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется коммутаторами или коммуникационными компьютерами. Одним из показателей этого метода является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных запоминающих устройств (ЗУ) в узлах связи. Пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.

Технология коммутации пакетов, позволяет:

увеличить количество подключаемых узлов, так как здесь 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 сети. 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.

При коммутации пакетов в сети находятся пакеты разных пользователей, которые доставляются коммуникационным оборудованием до адресатов. На рис.11 представлены схемы коммутации каналов и коммутации пакетов.

Рис.11.Схемы коммутации каналов и пакетов

В варианте "А" коммутационная сеть образует между телефонными абонентами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков (выделено жирным). В варианте "Б" пакеты могут быть направлены коммутаторами от одного компьютера до другого по разным каналам .

Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью "вырезать" паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план.

Первые научные работы о принципах работы сетей с коммутацией пакетов относятся к началу 60 - х годов. Исследования в области сетей с коммутацией пакетов стали основой, на которой базируются сегодняшняя сеть Internet и все другие вычислительные сети. Через некоторое время эти исследования вылились в исследовательскую программу Advanced Projects Research Agency (ARPA), в рамках которой была создана первая сеть с коммутацией пакетов, известная как ARPAnet. В 1972 г. был разработан первый протокол передачи данных между компьютерами, который назывался Network Control Protokol (NCP). После того, как сетевые концепции были отработаны на ARPAnet, стали появляться другие компьютерные сети. Среди них ALOHAnet, Telenet, Transpac и другие. Это были глобальные сети. История компьютерных сетей начинается именно с глобальных сетей. Но в 1972 г. Роберт Меткалф, работавший в фирме Xerox, разработал принципы Ethernet – сетей, которые впоследствии охватили весь мир, породив неизмеримое количество локальных сетей. Сети активно развивались, и в 1983 г. увидел свет стандарт протоколов стека TCP/IP. Он заменил применявшийся в ARPAnet протокол NCP, появилась система доменных имён DNS. С того времени развитие IP – сетей стало набирать мощь, этот процесс продолжается и сегодня.