Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети
Коммутация основана на использовании маршрутизации, определяющей путь, по которому в соответствии с адресом назначения передаются данные. Осуществляется коммутация функциональными блоками всех систем информационной сети.
Коммутация является основой технологии сети с маршрутизацией данных. В зависимости от задач, поставленных перед коммуникационной сетью, используют несколько методов коммутации (рис.093).
Каждый из них определяется различными штабелями уровней области Взаимодействия Открытых Систем (ВОС).
У каждого из методов коммутации имеется своя область применения, обусловленная его особенностями. Отсюда следует целесообразность сочетания разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов с отличающимися друг от друга величинами нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких сетях при небольшой средней нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика, и предпочтительнее использовать систему с коммутацией каналов. При передаче же многоадресных сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с коммутацией сообщений. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать коммутацию пакетов.
Выбор методов коммутации - достаточно сложная оптимизационная задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в свою очередь определяются особенностями графика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания.
В коммутации блоков данных участвуют (рис.094) N нижних уровней взаимодействующих друг с другом абонентских систем или административных систем, а также расположенных между ними ретрансляционных систем. В зависимости от метода коммутации, число уровней N изменяется от одного до семи.
Коммутация Каналов — коммутация, обеспечивающая предоставление каждой паре абонентов последовательности каналов сети для монопольного использования (рис.096).
Коммутация Каналов, связана с предоставлением на время сеанса последовательностей каналов, соединяющих пары абонентских систем или административных систем друг с другом. Здесь N = 1 и коммутация выполняется во всех ретрансляционных системах физическими процессами, опирающимися на физический уровень этих систем. В результате этого, последовательность каналов соединяется в единый канал, проходящий через всю коммуникационную сеть.
В классической схеме в коммутации каналов участвуют функциональные блоки физического уровня (1A, 1B, 1C) и физические процессы (ФП) узлов коммутации каналов либо узлов смешанной коммутации.
В результате через физические средства соединения A,B,C происходит сквозная коммутация и между взаимодействующими абонентскими системами либо административными системами (К, Е) образуется последовательность логических каналов (пунктир), по которой прикладные процессы передают друг другу блоки данных. Созданная таким образом последовательность используется монопольно взаимодействующей через нее парой абонентов.
Логические каналы коммуникационной сети в результате коммутации каналов, чаще всего, предоставляются только на время сеанса между системами и, в этом случае, называются коммутируемыми каналами. Коммутация осуществляется только в начале сеанса взаимодействия. Для этого система-инициатор сеанса формирует и посылает ближайшему к ней узлу вызов-запрос на прокладку через коммуникационную сеть последовательности каналов, которая свяжет систему-инициатора с системой-адресатом.
В сети коммутации каналов могут быть предоставлены также постоянные некоммутируемые каналы, выделяемые в аренду на определенный срок, например, на год. Выделенные каналы называются также арендуемыми каналами. Эти каналы характеризуются высоким качеством передачи, и всегда готовы к передаче данных. Однако они слишком дороги.
Положительными особенностями коммутации каналов, по сравнению с коммутацией пакетов, является относительная дешевизна используемых для этой цели узлов. Кроме этого, все передаваемые во время сеанса блоки данных доставляются адресату с одинаковой задержкой во времени, определяемой скоростными характеристиками узлов и каналов. Это упрощает передачу через коммуникационную сеть речи.
Однако, коммутация каналов имеет и ряд существенных недостатков. Во время сеанса последовательность используемых каналов загружена потоками битов относительно небольшое время. Остальное время каналы простаивают. Особенно во время диалога пользователей с прикладными процессами, когда первые обдумывают полученные результаты, а вторые ищут необходимые сведения либо проводят математические расчеты. Вторым недостатком метода коммутации каналов является относительно длительное время создания последовательности каналов. Это связано с тем, что для этого необходимо дождаться, когда будет свободна необходимая последовательность каналов. При коротких сеансах время создания последовательности может превышать продолжительность сеанса.
Коммутация Пакетов (КП) — коммутация, обеспечивающая передачу через сеть пакетов без монопольного использования каналов.
Пары каналов на время сеанса в единое целое не соединяются. Здесь сообщения не собираются и не разбираются, N = 3 , a коммутация осуществляется сетевыми процессами, опирающимися на функции физического, канального уровня и сетевого уровня.
Характерной особенностью, отличающей коммутацию пакетов от коммутации каналов, являются коммутация с запоминанием и коллективное использование каналов коммуникационной сети. Здесь ни один из каналов не занимается парой абонентских систем либо административных систем даже на время проведения сеанса. Пакеты по одному и тому же каналу идут, по мере их поступления, не зависимо от их источников и адресатов. Иначе говоря, канал взаимодействующими абонентами занимается только на время передачи каждого пакета.
Коммутация пакетов является более сложной технологией, чем коммутация каналов (рис.098).
При выполнении коммутации пакетов между физическими средствами соединения (A,B,C) используются функциональные блоки физического уровня (1A, 1B, 1C), канального уровня (2A, 2B, 2C) и сетевого уровня (3A, 3B, 3C) всех систем, включая узлы коммутации пакетов. Функциональные блоки в узлах объединяются сетевыми процессами (СП). В результате любая пара абонентских либо административных систем передает друг другу пакеты через коммуникационную сеть (пунктир).
Для повышения надежности работы коммуникационной сети в ней топология размещения узлов коммутации пакетов и соединяющих их каналов строится исходя из того, что между парами взаимодействующих систем создается несколько путей передачи пакетов.
Пакеты узлами коммутации направляются по тем последовательностям каналов, которые в конце концов, позволят достичь абонентской системы-адресата. Здесь, в отличие от коммутации каналов, коммутация пакетов происходит в течение всего сеанса взаимодействия систем (а не только в начале этого сеанса).
В результате того, что пакеты идут по различным направлениям (последовательностям каналов), они могут приходить в пункт назначения с разным запаздыванием. Кроме этого, после прохождения через какие-нибудь каналы в пакетах могут возникнуть ошибки, из-за чего пакеты уничтожаются и передаются вновь. Все это приводит к тому, что все пакеты, посланные системой, не могут быть доставлены с одинаковым временем прохождения через коммуникационную сеть.
Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.
Виртуальные соединения. По сути, это коммутация каналов, но не напрямую, а через память управляющих компьютеров в центрах коммутации с использованием пакетов при передаче сообщений. В виртуальной сети, прежде чем начать передачу пакетов, абоненту-получателю направляется служебный пакет, прокладывающий виртуальное соединение. В каждом узле этот пакет оставляет распоряжение вида: пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Таким образом, виртуальное (условное) соединение существует только в памяти управляющего компьютера. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объем памяти понадобиться для приема. Если его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю (также в виде специального служебного пакета) на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами. Пакеты беспрепятственно проходят друг за другом по виртуальному соединению (в каждом узле их ждет инструкция, которая обрабатывается управляющим компьютером) и в том же порядке попадают абоненту-получателю, где, освободившись от концевиков и заголовков, образуют передаваемое сообщение, которое направляется на седьмой уровень. Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока отправленный одним из абонентов, специальный служебный пакет не сотрет инструкции в узлах. Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации и обладает всеми преимуществами методов коммутации каналов и пакетов.
Датаграммы. Для коротких сообщений более эффективен датаграммный режим, не требующий довольно громоздкой процедуры установления виртуального соединения между абонентами. Термин "датаграмма" применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Получив датаграмму, узел коммутации направляет ее в сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Очевидно, что при такой маршрутизации каждая датаграмма будет идти по случайной траектории, и, следовательно, момент поступления ее к адресату будет случайным. При этом свойствами случайности можно управлять, т.е. добиваться, чтобы среднее время доставки не превышало заданного, а вероятность того, что какая-то датаграмма задержится более наперед заданного числа секунд, была бы достаточно малой. Датаграммный режим используется, в частности, в Internet.
Скоростные характеристики коммутации пакетов не всегда удовлетворяют требованиям передачи видеоинформации. Поэтому в последнее время все большее внимание уделяется скоростной коммутации данных.
Используя семиуровневую иерархию протоколов, обеспечивает передачу через сеть сообщений с промежуточной их сборкой, хранением и разборкой в узлах коммутации. (рис.327)
Здесь N=7 и каждый узел принимает по частям сообщение, собирает его, записывает в память, проверяет наличие ошибок в сообщении и лишь затем передает его (разбирая на части) следующему узлу. Необходимость в большой памяти и относительно медленная передача данных привели к тому, что коммутация сообщений в большинстве сетей заменена другими видами коммутации.
Коммутация пакетов и сообщений, в отличие от коммутации каналов, являются коммутацией с запоминанием.
Смешанная коммутация — комплексный транспортный сервис, обеспечивающий коммутацию каналов (при N=1) и коммутацию пакетов (при N=3).
Смешанная коммутация, именуемая также гибридной коммутацией, осуществляется Цифровой Сетью с Интегральным Обслуживанием (ЦСИО). Для этой цели в ней используются узлы смешанной коммутации, способные выполнять оба вида коммутации. При смешанной коммутации имеющиеся в коммуникационной сети логические каналы, в первую очередь, используются для коммутации каналов и создания последовательностей, соединяющих пары административных систем или абонентских систем. По свободным каналам осуществляется передача блоков данных в режиме коммутации пакетов. Естественно, что в соответствии с запросами систем соотношение числа каналов, входящих в оба множества все время меняется.
Рассматриваемая коммутация выполняет коммутацию каналов и пакетов на базе одного и того же оборудования. Его Программное Обеспечение позволяет при использовании только физического уровня и физических процессов ретрансляционной системы обеспечить коммутацию каналов. При функционировании физического, канального уровня, сетевого уровня и сетевых процессов ретрансляционная система осуществляет коммутацию пакетов.
Различают сквозную коммутацию и коммутацию с запоминанием.
Cквозная коммутация — способ коммутации, при котором блок данных начинает передаваться ретрансляционной системой до того, как его содержимое ею получено полностью.
Важным преимуществом сквозной коммутации является очень небольшая задержка блока в ретрансляционной системе. Поэтому рассматриваемая коммутация, обеспечивая коммутацию каналов, ретрансляцию кадров либо ретрансляцию ячеек, используется в сетях скоростной коммутации данных, а также в коммутируемых локальных сетях. Метод сквозной коммутации основан на том, что выбор канала, по которому далее передается блок данных, происходит тотчас, как только прочитан адрес его назначения. Адрес располагается в начальной части блока.
Между тем, сквозная коммутация имеет и ряд недостатков. Первый из них заключается в том, что в этом режиме не обеспечивается выявления ошибок с помощью Контроля циклической избыточности CRC. Правда, в современных высоконадежных сетях это не имеет существенного значения. Второй недостаток сквозной коммутации связан с тем, что блок данных не может быть передан из канала с низкой в канал, работающий с более высокой скоростью. Альтернативой рассматриваемой является коммутация с запоминанием.
Коммутация с запоминанием — способ коммутации, при котором блок данных передается ретрансляционной системой после того, как его содержимое получено ею полностью.
Коммутация с запоминанием является классической технологией, используемой при коммутации пакетов и коммутации сообщений. Она заключается в том, что из принятого ретрансляционной системой пакета либо сообщения извлекаются заголовок, концевик и содержащаяся в нем передаваемая информация. Затем, осуществляется проверка ошибок с помощью Контроля циклической избыточности CRC.
Рассматриваемая коммутация проста, но характеризуется относительно большими задержками, происходящими в ретрансляционных системах. Поэтому в скоростных сетях она заменяется сквозной коммутацией.
Дальнейшее развитие методов коммутации привело к созданию интегральной коммутации. Это универсальный пакетно-ориентированный метод коммутации. В этой технологии коммутация пакетов, коммутация каналов, ретрансляция кадров и ретрансляция ячеек слились в единый способ передачи блоков данных. Связанные с этим операции осуществляются аппаратно и через каждый узел интегральной коммутации одновременно может проходить не один, а группа блоков данных. Благодаря этому выполняется методология скоростной коммутации данных, реализующая сквозную коммутацию быстрых пакетов, что позволяет эффективно загружать широкополосные каналы и скоростные базовые сети. Наиболее перспективной базой для интегральной коммутации является асинхронный способ передачи.
Высокая надежность современных коммуникационных сетей позволяет отказаться от проверки блоков данных во всех промежуточных узлах. Она может происходить только в конечных узлах либо уже в абонентских системах. По существу, коммутация на сетевом уровне заменяется ретрансляцией кадров либо ретрансляцией ячеек, выполняемыми на канальном уровне.
Ретрансляция кадров и ретрансляция ячеек являются новыми методами передачи данных. Здесь (рис.327) каждая ретрансляционная система выполняет интегральную коммутацию и с высокой скоростью распределяет потоки кадров либо ячеек в соответствии с их адресацией по каналам передачи данных. В промежуточных узлах коммутации кадры и ячейки не обрабатываются.
Ретрансляция кадров и ячеек являются сквозной коммутацией.
Напомним, что пакет ѕ это блок данных, передаваемый на сетевом уровне. В отличие от него, кадр - это блок данных, передаваемый на канальном уровне.
В сетях со сквозной коммутацией кадр принято называть быстрым пакетом, а в тех случаях, когда он имеет постоянную длину - ячейкой.
Ретрансляция кадров (frame relay) — технология аппаратной скоростной коммутации данных.
Передача больших потоков информации через коммуникационную сеть потребовала резкого увеличения скоростей передачи данных. В результате появились сети ретрансляции кадров. (рис.191)
Технология ретрансляции заключается в сквозной коммутации быстрых пакетов, обеспечивающей аппаратную самомаршрутизацию (распределение в каждом узле интегральной коммутации проходящих кадров по адресам их назначения). Кадры, в которых появились ошибки, уничтожаются. При этом, в промежуточных узлах коммутации ради получения высоких скоростей, не осуществляется контроль достоверности и целостности данных. Он возлагается на оконечные узлы коммутации. Последние создают на канальном уровне соединения, осуществляют управление потоками данных через виртуальные каналы, выявляют и исправляют ошибки. Ретрансляция используется в коммуникационных сетях, работающих с малым числом ошибок.
В узлах интегральной коммутации над канальным уровнем (2) и физическим уровнем (1) располагаются канальные процессы, связывающие каналы передачи данных. При возникающих ошибках и перегрузках узлы выбрасывают мешающие им кадры. Сетевого уровня здесь нет. В сети передаются кадры переменной длины размером до 1024 байт. Скорость передачи до 1,5 Мбит/с.
Ретрансляция кадров отличается от коммутации пакетов тем, что в рассматриваемом случае в коммуникационной сети отсутствуют пакеты. Фрагменты данных, передаваемые прикладным процессом, помещаются непосредственно в кадры, которые передаются не только между смежными системами, но и ретранслируются через всю коммуникационную сеть.
Ретрансляция ячеек (cell relay) — сетевая технология, обеспечивающая аппаратную скоростную коммутацию данных, упакованных в ячейки.
Ретрансляция ячеек выполняет сквозную коммутацию и используется, в первую очередь, в базовых сетях. Она отличается от ретрансляции кадров тем, что обеспечивает передачу через эти сети блоков данных постоянной длины, именуемых ячейками. Это происходит в режиме реального времени. Ретрансляция ячеек выполняется узлами интегральной коммутации.
Примерами реализации интегральной коммутации являются баньяновая сеть и матричный коммутатор.
Баньяновая сеть — скоростная распределительная сеть, с каскадной адресацией.
Технология скоростной коммутации данных требует максимального использования параллелизма при ретрансляции кадров и ретрансляции ячеек. Важной базой этой технологии являются баньяновые (banyan-управляющий) сети. Структура баньяновой сети, выполненная в виде узла на 16 входов и выходов состоит из простых коммутирующих элементов, соединенных друг с другом. (рис.031)
Через последовательности этих элементов передаются блоки данных. Изображенная структура имеет четыре каскада (1-4) коммутирующих элементов. Каждый передаваемый блок данных имеет в заголовке адрес, разрядность которого равна числу элементов баньяновой сети. Блок, поданный на вход i-того каскада попадает на один из его выходов, если в i-том разряде адреса записан "0". Если в этом разряде находится "1", то блок передается на другой выход элемента. Так, по каскадам, происходит ретрансляция блоков данных, определяемая деревом выбора путей передачи.
Таким образом осуществляется самомаршрутизация блоков, определяемая их адресами. В результате, баньяновые сети обеспечивают большую пропускную способность, ибо блоки данных через них проходят параллельно, а функции маршрутизации выполняются аппаратно. Однако нужно иметь в виду, что в баньяновых сетях могут происходить взаимные блокировки и возникать тупиковые ситуации. Поэтому в рассматриваемых сетях должны быть приняты специальные меры, предотвращающие появление этих тупиков. Баньяновые сети используются в узлах интегральной коммутации.
Матричный коммутатор состоит из множества одинаковых коммутирующих элементов (рис.092)
В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N≤М, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N.
Недостаток рассмотренной схемы - большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N2. Для устранения этого недостатка применяют многоступенные коммутаторы.
|
|
 |
