Вопрос 1. Способы коммутации

Тема № 3. Методы коммутации в сетях электросвязи. Элементы теории телетрафика

Вопрос 1. Способы коммутации

Под коммутацией данных понимается их передача, при ко­торой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами инфор­мационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

коммутация каналов — осуществляется соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока со­единение не будет разомкнуто;

коммутация сообщений — характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целост­ности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками воз­можна буферизация сообщения;

коммутация пакетов — сообщение передается по виртуаль­ному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Коммутация каналов мо­жет быть пространственной и временной.

Пространственный ком­мутатор размера N-M пред­ставляет собой сетку (матри­цу), в которой N входов под­ключены к горизонтальным шинам, а М выходов - к вер­тикальным (рис.1).

Рис.1. Матрица пространственного коммутатора

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. Например, схе­ма трехступенного коммутато­ра 6 • 6 имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис.2. Схема трехступенного пространственного коммутатора

Достаточным условием отсутствия блокировок входов яв­ляется равенство k > 2 п - 1. Здесь k — число блоков в промеж­уточном каскаде; п = N/p; p — число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.3 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется вы­полнить соединение al— dl, но ранее скоммутированы соеди­нения а2—Ь2—с4—d3, аЗ—ЬЗ—cl—d2, то для al доступны шины b1, сЗ и с5, однако они не ведут к dl.

В многоступенных коммутаторах существенно уменьшено число переключательных элементов за счет некоторого увели­чения задержки. Так, при замене одноступенного коммутатора 1000-1000 трехступенным с п — 22 и k = 43 число переключа­телей уменьшается с 10⁶ до 2 • 46 • 22 • 43 + 43 • 46 • 46, т.е. при­мерно до 0,186 • 106.

Временной коммутатор построен на основе буферной па­мяти, запись производится в ее ячейки последовательным оп­росом входов, а коммутация осуществляется благодаря считы­ванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись—чтение".

В настоящее время преимущественно используется временная или смешанная коммутация.

Во многих случаях наиболее эффективной оказывается ком­мутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна па­раллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях коммутации пакетов различают два режима работы: режим виртуальных каналов (другое название — связь с уста­новлением соединения) и дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому мар­шруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так на­зываемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM — Time Division Method), или задерживаться в промеж­уточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения — положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осущест­вляться стартстопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит под­тверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи "в окне". Окно может включать W пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протя­жении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером К, то нужна повторная передача и она начинается с пакета К. Например, в сетях можно использовать переменный размер окна. Так, в соответствии с рекомендацией документа RFC-793 время ожидания подтверждений вычисляется по формуле:

где Тср:= 0,9Тср + 0,17Тi — усредненное значение времени прохода пакета до получателя и обратно; Тi — результат оче­редного измерения этого времени.

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграм­мы. Дейтаграмма — часть информации, передаваемая незави­симо от других частей одного и того же сообщения в вычис­лительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последова­тельности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказывается полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.

Первоначальными видами сообщений могут быть голос, изо­бражения, текст, данные. Для передачи звука традиционно ис­пользуется телефон, изображений — телевидение, текста — теле­граф (телетайп), данных — вычислительные сети. Передача доку­ментов (текста) может быть кодовой или факсимильной. Для передачи в единой среде звука, изображений и данных применяют сети, называемые сетями интегрального обслуживания.

Кодовая передача сообщений между накопителями, нахо­дящимися в узлах информационной сети, называется телетекстом (в отличие от телекса — телетайпной связи), а факсимильная связь называется телефаксом. Виды телетекста: электронная почта (E-mail) — обмен сообщениями между двумя пользова­телями сети, обмен файлами, "доска объявлений" и телекон­ференции — широковещательная передача сообщений.

Установление соединения между отправителем и получате­лем с возможностью обмена сообщениями без заметных вре­менных задержек характеризует режим работы on-line ("на линии"). При существенных задержках с запоминанием ин­формации в промежуточных узлах имеем режим off-line ("вне линии").

Связь может быть односторонней (симплексной), с попере­менной передачей информации в обоих направлениях (полу­дуплексной) или одновременной в обоих направлениях (дуплекс­ной).

Протоколы Это набор семантических и синтаксических правил, опре­деляющий поведение функциональных блоков сети при пере­даче данных. Другими словами, протокол — это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и пра­вильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена.

Поскольку информационный обмен — процесс многофунк­циональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правиль­ного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

Унификация и стандартизация протоколов выполняются рядом международных организаций, что наряду с разнообра­зием типов сетей породило большое число различных прото­колов. Наиболее широко распространенными являются прото­колы, разработанные для сети ARPANET и применяемые в глобальной сети Internet, протоколы открытых систем Между­народной организации по стандартизации (ISO — International Standard Organization), протоколы Международного телекомму­никационного союза (International Telecommunication Union — ITU, ранее называвшегося СС1ТТ) и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers). Протоколы сети Internet объединяют под названием TCP/IP. Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС).

Базовая ЭМВОС — это модель, принятая ISO для описания общих принципов взаимодействия информационных систем. ЭМВОС признана всеми международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.

В ЭМВОС информационная сеть рассматривается как со­вокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет мо­дернизацию средств по мере развития техники.

ЭМВОС содержит семь уровней. Ниже приведены их но­мера, названия и выполняемые функции.

7-й уровень — прикладной (Application): включает средства управления прикладными процессами; эти процессы могут объ­единяться для выполнения поставленных заданий, обменивать­ся между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в "почтовых ящиках" (mail-box).

6-й уровень — представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирова­ние, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода EBCDIC в ASCII и т.п.

5-й уровень — сеансовый (Session): предназначен для орга­низации и синхронизации диалога, ведущегося объектами (станциями) сети. На этом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаи­модействующих партнеров.

4-й уровень — транспортный (Transport): предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обес­печивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мульти­плексирование и демультиплексирование (сборка-разборка па­кетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи). На транспортном уровне пакеты обычно называют сегментами.

3-й уровень — сетевой (Network): на этом уровне происходит управление передачей пакетов через промежуточные узлы и сети, контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения пере­грузок, отрицательно влияющих на работу сети, маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Маршрутизация сводится к определению логических каналов. Логическим каналом называется виртуаль­ное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между этими объектами. Понятию логического канала необязательно соответствие не­коего физического соединения линий передачи данных между связываемыми пунктами. Это понятие введено для абстраги­рования от физической реализации соединения.

2-й уровень — канальный (Link, уровень звена данных): предо­ставляет услуги по обмену данными между логическими объ­ектами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружени­ем и исправлением ошибок, возникающих на следующем, фи­зическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или многих кадров. В ЛВС функции канального уровня подразделяют на два подуровня: управление доступом к каналу (MAC — Medium Access Control) и управление логическим кана­лом (LLC — Logical Link Control). К подуровню LLC относится часть функций канального уровня, не связанных с особенное- тями передающей среды. На подуровне MAC осуществляется доступ к каналу передачи данных.

1-й уровень - физический (Physical): предоставляет механи­ческие, электрические, функциональные и процедурные сред­ства для установления, поддержания и разъединения логичес­ких соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через фи­зические среды. Именно на физическом уровне осуществляют­ся представление информации в виде электрических или оп­тических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.

В конкретных случаях может возникать потребность в ре­ализации лишь части названных функций, тогда соответствен­но в сети имеется лишь часть уровней. Так, в простых (нераз­ветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней.

Передача данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сете­вой уровень. На сетевом уровне сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегмен­тов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция сегментов в пакеты). При передаче между узлами промежуточной ЛВС может потребоваться раз­деление пакетов на кадры (т.е. инкапсуляция пакетов в кадры). В приемном узле сегменты декапсулируются и восстанавлива­ется исходное сообщение.

Как показано на рис. 4., номенклатуру коммутаторов ATM со­ставляют коммутаторы для доступа ООД пользователя к сети ATM, ком­мутаторы для рабочих групп, коммутаторы для соединения рабочих групп и магистральные коммутаторы.

Первые два класса коммутаторов, а именно, коммутаторы доступа ООД и коммутаторы для рабочих групп, предназначены для выполнения одной задачи (см. далее) и отличаются, главным образом, типом оконеч­ного оборудования данных пользователя, которое они обслуживают.

Коммутаторы доступа, обеспечивают выход в сеть предыдущих, не ориентированных на работу в ШЦСИО низкоскоростных поколений ООД, а также ООД обычных ЛС, так называемого «унаследованного» (legasy) пользовательского оборудования, однако получивших широкое распространение и достаточно недорогих.

Коммутаторы для рабочих групп, в отличие от коммутаторов ООД, обеспечивают связь и совместную работу более высокоскоростных и современных терминалов, в качестве которых выступают, как правило, ПК и рабочие станции. Рабочую группу составляют обычно сотрудники какой-либо организации, так что коммутатор(ы) для рабочих групп по сво­им функциям в основном аналогичны локальным сетям, поскольку взаи­модействие между пользователями осуществляется под управлением распределенного сетевого ПО, например, такого, как Windows для рабочих групп, Windows NT и другого.

Коммутаторы для соединения рабочих групп предназначены для соединения коммутаторов для рабочих групп и являются более мощ­ными по сравнению с ними. С помощью этих двух типов коммутаторов формируется корпоративная сеть какой-либо организации.

Магистральные коммутаторы представляют собой самые мощ­ные устройства коммутации и распределения информации, передаваемой в виде цифровых двоичных блоков данных (ячеек, пакетов) и предназна­чены для обеспечения связи между коммутаторами, соединяющими рабо­чие группы, а также для выхода в региональные сети связи (WAN) общего пользования.