10.2. Способы коммутации и передачи данных

Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования вычислительных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее десятилетие произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение вычислительных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.

Важнейшая характеристика сетей передачи данных - время доставки информации - зависит от структуры сети передачи данных пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме <on-line>. В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается .только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом для которых является режим <off-line>) принцип построения узла коммутации опредеделяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов. Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи.

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.

Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.

К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:

гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и кодирование, логический контроль и другие преобразования - в узле-приемнике.

Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.

Коммутация сообщений. При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации. В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений - обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы сдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80 - 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов. В последние годы появился еще один способ коммутации абонентов сети - так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т.е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов: в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации; в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

Сопряжение ЭВМ и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) ЭВМ и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.

Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8-128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 104-105 бод. Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за чет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) метров).

Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 103- 104 бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.

Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 102-103 бит/с). Применение связных интерфейсов экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.

В многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах используются в основном параллельные интерфейсы для сопряжения отдельных устройств в ЭВМ, и только в отдельных случаях применяются последовательные интерфейсы для подключения периферийных устройств. Параллельные интерфейсы обеспечивают в первую очередь передачу сигналов прерывания, а также отдельных узлов (команд) и блоков данных между сопрягаемыми ЭВМ и устройствами.

В распределенных системах из-за значительных расстояний между устройствами применяются последовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможность передачи отдельных сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами и требуют представления информации в виде операций ввода-вывода.

От организации интерфейсов между устройствами во многом зависит организация программного обеспечения.