Методы коммутации

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефон­ных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодей­ствующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. По­этому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. На рис. 2.25 показана ти­пичная структура сети с коммутацией абонентов.

Абоненты соединяются с коммутаторами индивидуальными линиями связи, каж­дая из которых используется в любой момент времени только одним, закреплен­ным за этой линией абонентом. Между коммутаторами линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в се­тях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching). Внешне все эти схемы соответствуют приведенной на рис. 2.25 структуре сети, однако возможности и свойства их раз­личны. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравни­тельно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Сети с коммутацией сообщений послужили прототипом современных сетей с коммутацией пакетов и сегодня они в чистом виде практически не существуют.

Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосроч­ным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммута­ции пакетов, как более гибкой и универсальной.

______________________________ 2, 4. Методы коммутации _______ 165

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку — на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользо­вателя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим поль­зователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при ди­намической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы — передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т. п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный пери­од времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслу­живающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в се­тях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, явля­ются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети Х.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоян­ному соединению одному вполне определенному абоненту.

2.4.1. Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физи­ческого канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются меж­ду собой специальной аппаратурой — коммутаторами, которые могут устанавли­вать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Например, если сеть, изображенная на рис. 2.25, работает по технологии комму­тации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования состав­ного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Затем коммутатор Е передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он на­правляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего состав­ной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными, например вести телефонный разговор.

166 Глава 2 ' Основы передачи дискретных данных _____________________________________________

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновре­менную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексиро­вания абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

• техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);

• техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования

Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.

Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефон­ной сети.

Речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основ­ные гармоники укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для каче­ственной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками канал с полосой пропускания в 3100 Гц, который и используется в телефонных сетях для соединения двух абонентов. В то же время полоса пропускания кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Однако не­посредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкопо­лосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешаются между собой так, что разделить их будет невозможно.

Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокоча­стотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом (рис. 2.26). Эта техника подобна технике аналоговой модуляции при передаче дис­кретных сигналов модемами, только вместо дискретного исходного сигнала ис­пользуются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В ре­зультате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, кото­рый симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала.

2.4. Методы коммутации 167

Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диа­пазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов.

На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов теле­фонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диа­пазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов (рис. 2.27). Чтобы низкочас­тотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, по­лосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3, 1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.

Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несу­щей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому не­посредственно подключен абонентский телефон.

В сетях на основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплот­ненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 ба­зовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских ка­налов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.

Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную ком­мутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор дина­мически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненно­го канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступ­ному пользователям.

168 Глава 2 • Основы передачи дискретных данных ____________________________________________

Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному або­нентскому каналу, а также количество низкоскоростных каналов в уплотненном высокоскоростном.

Коммутация каналов на основе разделения времени

Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифро­вой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплекси­рования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.

Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). Реже используется и другое ее название — техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM). Рисунок 2.28 пояс­няет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.

Аппаратура TDM-сетей — мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры — работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонент­ском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа або­нентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скорос­тью 64 Кбит/с — 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

• прием от каждого канала очередного байта данных;

• составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;

2.4. Методы коммутации 169

• передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nx64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддер­живает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1, 544 Мбит/с.

Демультиплексор выполняет обратную задачу — он разбирает байты уплотнен­ного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мульти­плексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотнен­ный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует под­держиваемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рис. 2.28 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извле­каться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммута­тор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал—выходной слот» в течение всего времени существования этого со­единения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, крат­ной 64 Кбит/с:

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако, в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» сети TDM не имеет ин­дивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники — синхронный режим передач (STM). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом те­ряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между раз­личными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи (например, або­нент телефонной сети молчит).

Существует модификация техники TDM, называемая статистическим разде­лением канала во времени (Statistical TDM, STDM). Эта техника разработана специ­ально для того, чтобы с помощью временно свободных тайм-слотов одного канала можно было увеличить пропускную способность остальных. Для решения этой задачи каждый байт данных дополняется полем адреса небольшой длины, напри­мер в 4 или 5 бит, что позволяет мультиплексировать 16 или 32 канала. Однако техника STDM не нашла широкого применения и используется в основном в не-

170 Глава 2 • Основы передачи дискретных донных _____________________________________________

стандартном оборудовании подключения терминалов к мэйнфреймам. Развитием идей статистического мультиплексирования стала технология асинхронного режи­ма передачи — ATM, которая вобрала в себя лучшие черты техники коммутации каналов и пакетов.

Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основ­ным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и посто­янную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов.

Существует аппаратура, которая поддерживает только режим постоянной ком­мутации. К ней относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование SDH. Такое оборудование используется для построения первичных сетей, основной функцией которых является создание выделенных каналов между коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию.

Сегодня практически все данные — голос, изображение, компьютерные данные — передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, теле­визионных и компьютерных.

Общие свойства сетей с коммутацией каналов

Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.

Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры уста­новления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вы­зываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизи­руется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемо­го выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора — количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором — абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.

Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения явля­ется важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голо­са, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.

Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность примене­ния пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные

2.4. Методы коммутации 171

части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с комму­тацией каналов не буферизуют данные пользователей.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя времен­ную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутато­рах сети.

Обеспечение дуплексного режима работы на основе технологий FDMJDMnWDM

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи дан­ных по линии связи делятся на следующие типы:

• симплексный — передача осуществляется по линии связи только в одном направ­лении;

• полудуплексный — передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;

• дуплексный — передача ведется одновременно в двух направлениях. Дуплексный режим — наиболее универсальный и производительный способ ра­боты канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима явля­ется использование двух, независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режи­ме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или ATM.

Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным. Чаще всего это происходит в тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется всего один физический канал, а организация второго связана с большими затратами. Например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с АТС — двух­проводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логи­ческих подканала с помощью техники FDM или TDM.

Модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной ли­нии применяют технику FDM. Модемы, использующие частотную модуляцию, работают на четырех частотах: две частоты — для кодирования единиц и нулей в одном направлении, а остальные две частоты — для передачи данных в обратном направлении.

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии орга­низуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть — для передачи в другом направлении. Обыч­но тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. TDM-разделение линии характерно, например, для цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN) на абонентских двух­проводных окончаниях.

172 Глава2» Основы передачи дискретных данных ____________________________________________

В волоконно-оптических кабелях при использовании одного оптического во­локна для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обрат­ном — другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM применяется и для повышения скорости передачи дан­ных в одном направлении, обычно используя от 2 до 16 каналов.

2.4.2. Коммутация пакетов

Принципы коммутации пакетов

Коммутация пакетов — это техника коммутации абонентов, которая была специ­ально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Экспери­менты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем ха­рактере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. 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 составлять 1: 50 или 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 использоваться — часть тайм-слотов или частотных полос коммутаторов будет за­нята и недоступна другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения раз­биваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакета­ми. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. 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. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 2.29). Пакеты транспортируются в сети как независи­мые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге — узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если вы­ходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого па­кета (рис. 2.30). 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. Такая схема передачи данных позволяет сглажи­вать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропуск­ной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предос­тавление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек переда­вались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, тай как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистраль­ным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в едини­цу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике ком­мутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому ком-

174 Глова2 • Основы передачи дискретных данных _____________________________________________

мутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслу­живаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 2.30 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распреде­лен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены бо­лее равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммута­торы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

Описанный выше режим передачи пакетов между двумя конечными узлами сети предполагает независимую маршрутизацию каждого пакета. Такой режим работы сети называется дейтаграммным, и при его использовании коммутатор может из­менить маршрут какого-либо пакета в зависимости от состояния сети — работо­способности каналов и других коммутаторов, длины очередей пакетов в соседних коммутаторах и т. п.

Существует и другой режим работы сети — передача пакетов по виртуальному каналу (virtual circuit или virtual channel). В этом случае перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен вирту­альный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий эти конечные узлы. Виртуальный канал может быть динамическим или постоян­ным. Динамический виртуальный канал устанавливается при передаче в сеть спе­циального пакета — запроса на установление соединения. Этот пакет проходит через коммутаторы и «прокладывает» виртуальный канал. Это означает, что коммутато­ры запоминают маршрут для данного соединения и при поступлении последую­щих пакетов данного соединения отправляют их всегда по проложенному маршруту. Постоянные виртуальные каналы создаются администраторами сети путем ручной настройки коммутаторов.

При отказе коммутатора или канала на пути виртуального канала соединение разрывается, и виртуальный канал нужно прокладывать заново. При этом он, есте­ственно, обойдет отказавшие участки сети.

Каждый режим передачи пакетов имеет свои преимущества и недостатки. Дей-таграммный метод не требует предварительного установления соединения и поэтому работает без задержки перед передачей данных. Это особенно выгодно для переда­чи небольшого объема данных, когда время установления соединения может быть соизмеримым со временем передачи данных. Кроме того, дейтаграммный метод быстрее адаптируется к изменениям в сети.

При использовании метода виртуальных каналов время, затраченное на уста­новление виртуального канала, компенсируется последующей быстрой передачей

____________________________________________________________ 2.4. Методы коммутации _______ 175

всего потока пакетов. Коммутаторы распознают принадлежность пакета к вирту­альному каналу по специальной метке — номеру виртуального канала, а не анали­зируют адреса конечных узлов, как это делается при дейтаграммном методе.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя або­нентами. В методе коммутации каналов после образования составного канала про­пускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна — это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с уста­новлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 2.31, а). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Т_к._к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи t₃._p. и задержки передачи сообщения t₃._n.. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распростра­нения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблет­ся от 0, 6 до 0, 9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V — объем сообщения в битах, а С — пропускная способность канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов наблюдается принципиально другая картина.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, зани­мает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

На рис. 2.31, б показан пример передачи в сети с коммутацией пакетов. Предпо­лагается, что в сеть передается сообщение того же объема, что и сообщение, иллю­стрируемое рис. 2.31, а, однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено

176 Глава 2 • Основы передачи дискретных данных

на рисунке Т_к._п.. При передаче этого сообщения, разбитого на пакеты, по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные временные задержки. Во-пер­вых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков t_n.₃., плюс к это­му добавляются задержки tmrr, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета te._n. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации t_K. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксирова­но и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микро­секунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети пакетами.

Проведем грубую оценку задержки в передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составля­ет 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Про­пускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из време­ни распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить при­мерно в 25 мс, и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности 2 Мбит/с и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс, то есть всего пе­редача данных заняла 825 мс.

Оценим дополнительное время, которое потребуется для передачи этого сооб­щения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов. Вначале оценим задержку, которая возникает в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10 %. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков паке­тов, составляет 10 % от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, тогда дополнительные потери за счет интервалов составят 200 мс. Итого, в исходном узле из-за пакетиро­вания сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации, которая может иметь большой разброс, от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере примем, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообще­ний через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка при величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/с равна 4 мс. Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами, составит примерно 240 мс. В ре­зультате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, соста­вила 520 мс. Учитывая, что вся передача данных в сети с коммутацией каналов заняла 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной.

Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, но он делает более понятными те причины, которые приводят к тому, что процесс передачи для

2.4. Методы коммутации 177

определенной пары абонентов в сети с коммутацией пакетов является более мед­ленным, чем в сети с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов — это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично, в мультипрограммной операционной системе время вы­полнения приложения предсказать заранее невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми делит процессор данное приложение.

На эффективность работы сети существенно влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутаци­ей пакетов к сети с коммутацией каналов, поэтому эффективность сети при этом падает. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной инфор­мации, так как каждый пакет несет с собой заголовок фиксированной длины, а количество пакетов, на которые разбиваются сообщения, будет резко расти при уменьшении размера пакета. Существует некоторая золотая середина, которая обес­печивает максимальную эффективность работы сети, однако ее трудно определить точно, так как она зависит от многих факторов, некоторые из них к тому же посто­янно меняются в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться длина пакета, а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксиро­ванную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что разрешает передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4-х килобайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен дан­ными, а небольшие пакеты обычно используются для квитанций о доставке пакета.

При выборе размера пакета необходимо учитывать также и интенсивность би­товых ошибок канала. На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов, так как это уменьшает объем повторно передаваемых данных при искаже­ниях пакетов.

2.4.3. Коммутация сообщений

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рис. 2.32). Сообщение в отличие от пакета имеет произволь­ную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содер­жанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

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 временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточ­ным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача» (store-and-forward).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требую­щего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежу­точных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь пере­дает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связа­ны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточ­ных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономи­чески невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше тех­ники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффек­тивной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает спе­циализированные компьютеры в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оператив­ных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Выводы

» В сетях для соединения абонентов используются три метода коммутации: ком­мутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

» Как коммутация каналов, так и коммутация пакетов может быть либо динами­ческой, либо постоянной.

* В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал, образуе­мый коммутаторами сети по запросу одного из абонентов.

* Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети несколькими абонентскими каналами используются две технологии: частотного разделения канала (FDM) и разделения канала во времени (TDM). Частотное разделение характерно для аналоговой модуляции сигналов, а временное — для цифрового кодирования.

» Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, например потоки данных, создаваемые разговаривающими по телефону собеседниками, но не могут перераспределять пропускную способность магистральных каналов между потоками абонентских каналов динамически.

_____________________________________________________________ Вопросы и упражнения _______ 179

* Сети с коммутацией пакетов были специально разработаны для эффективной передачи пульсирующего компьютерного трафика. Буферизация пакетов раз­ных абонентов в коммутаторах позволяет сгладить неравномерности интенсив­ности трафика каждого абонента и равномерно загрузить каналы связи между коммутаторами.

» Сети с коммутацией пакетов эффективно работают в том отношении, что объем передаваемых данных от всех абонентов сети в единицу времени больше, чем при использовании сети с коммутацией каналов. Однако для каждой пары або­нентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с ком­мутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

• Сети с коммутацией пакетов могут работать в одном из двух режимов: дейта-граммном режиме или режиме виртуальных каналов.

» Размер пакета существенно влияет на производительность сети. Обычно паке­ты в сетях имеют максимальный размер в 1-4 Кбайт.

» Коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользо­вателей в режиме off-line, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. При этом методе коммутации сообщение передается через несколько транзит­ных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске.

Вопросы и упражнения

1. Могут ли цифровые линии связи передавать аналоговые данные?

2. Каким будет теоретический предел скорости передачи данных в битах в секун­ду по каналу с шириной полосы пропускания в 20 кГц, если мощность пере­датчика составляет 0, 01 мВт, а мощность шума в канале равна 0, 0001 мВт?

3. Определите пропускную способность канала связи для каждого из направле­ний дуплексного режима, если известно, что его полоса пропускания равна 600 кГц, а в методе кодирования используется 10 состояний сигнала.

4. Рассчитайте задержку распространения сигнала и задержку передачи данных для случая передачи пакета в 128 байт:

• по кабелю витой пары длиной в 100 м при скорости передачи 100 Мбит/с;

• коаксиальному кабелю длиной в 2 км при скорости передачи в 10 Мбит/с;

• спутниковому геостационарному каналу протяженностью в 72 000 км при скорости передачи 128 Кбит/с.

Считайте скорость распространения сигнала равной скорости света в вакууме 300 000 км/с.

5. Какой кадр передаст на линию передатчик, если он работает с использованием техники бит-стаффинга с флагом 7Е, а на вход передатчика поступила после­довательность 24 А5 7Е 56 8С (все значения — шестнадцатеричные)?

6. Поясните, из каких соображений выбрана пропускная способность 64 Кбит/с эле­ментарного канала цифровых телефонных сетей?

180 Глава 2 • Основы передачи дискретных данных

7. Назовите методы компрессии, наиболее подходящие для текстовой информа­ции. Почему они неэффективны для сжатия двоичных данных?

8. Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достиг­нута компрессия данных по сравнению с использованием:

• традиционных кодов ASCII?

• кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов?

9. Как передатчик определяет факт потери положительной квитанции в методе скользящего окна?

10. Сеть с коммутацией пакетов испытывает перегрузку. Для устранения этой ситуа­ции размер окна в протоколах компьютеров сети нужно увеличить или умень­шить?

11. Как влияет надежность линий связи в сети на выбор размера окна?

12. В чем проявляется избыточность TDM-технологии?

13. Какой способ коммутации более эффективен: коммутация каналов или ком­мутация пакетов?

14. Объясните разницу между тремя понятиями:

• логические соединения, на которых основаны некоторые протоколы;

• виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов;

• составные каналы в сетях с коммутацией каналов.