5. Коммутация каналов, коммутация пакетов, коммутация сообщений, маршрутизация.
Сущ 2 фундаментальных подхода в организации ядра сети: коммутация каналов(телефонная сеть) икоммутация пакетов (современный И). При коммутации каналов происходит резервирование на время сеанса связи необходимых ресурсов (буферов, диапазонов частот) на всем сетевом пути. При коммутации пакетов ресурсы запрашиваются при необходимости и выделяются по требованию.
Существует два класса сетей с коммутацией пакетов: с виртуальным каналом (Virtual Channel), Дейтаграммные (Datagram). Примеры дейтаграммных сетей: Internet на базе IP, X.25, Frame Relay, ATM.Сети с виртуальными каналами. Виртуальный канал устанавливается перед началом соединения и является единственным маршрутом для данного соединения. Динамический виртуальный канал устанавливается путем посылки запроса на соединение, которое проходит через коммутаторы и прокладывает виртуальный канал. При этом, коммутаторы запоминают маршрут и именно по нему пересылают все последующие пакеты. Статический виртуальный канал создается администраторами, путем ручной настройки. При отказе одного из элементов маршрута, соединение разрывается и виртуальный канал нужно прокладывать заново (это основное отличие от дейтаграммных сетей).Дейтаграммныесети — аналогичны обычной почте. Пакет помещается в своеобразный конверт (заголовок пакета содержит адрес назначения), который имеет иерархическую структуру. По прибытии пакета на маршрутизатор, он сравнивает соответствующую часть адреса назначения и отправляет пакет к следующему маршрутизатору.
устанавливается соединение — Д
Мультиплексирование в сетях с коммутацией каналов: Каждый канал связи в линии связи организовывается при помощичастотного(отводится определенная полоса частот, которая не изменяется в течении всего сеанса) либовременногоразделения (время разбивается на равные промежутки — кадры, каждый кадр на фиксированное число слотов, суть в закреплении за каждой парой абонентов одного временного слота в каждом кадре),разделение по коду(каждый канал кодируется своим кодом) (радиоканалы). Недостаток — выделенные каналы связи нельзя освободить в периодыпростоя. И необходимость в сложном сигнальном оборудовании для управления коммутациями и выделения частотных полос каналам связи.
Коммутация пакетов: В современные компьютерных сетях происходит автоматическое разбиение больших по объему сообщений на более мелкие фрагменты —пакеты— единица передачи данных. При передаче пакет проходит через последовательность линий связи коммутаторов, обычно называемыхмаршрутизаторами. Передача по линии связи осуществляется с максимальной скоростью, которую способна обеспечить линяя связи. Большинство маршрутизаторов используют механизм
передачи с промежуточным накоплением(перед тем как начать передачу, необходимо завершить процесс приема пакета в буфер). ТО возникаетзадержка накопления, обусловленная необх-ю ожидания окончания приема пакета. Если пакет длинойLбит, аRбит/с — скорость выходной линии связи, то задержкаL/Rс.
Каждый маршрутизатор имеет мн-во входных и выходных линий связи. Каждая выходная линия имеет выходной буфер(иливыходная очередь) — хранятся пакеты дл отправки. Если при окончании приема пакета линия занята, то его помещают в очередь выходного буфера. ТО присутствуетзадержка ожидания. (зависит от нагрузки линии связи). Т.к. размеры буферов ограничены, места может не хватить — может произойтипотеря пакеталибо уже стоящего в очереди, либо нового.статическое мультиплексирование— невозможность предсказать очередность пакетов при одновременной передачи пакетов 2 хостами.Для пересылки пакета длинойLбит между хостами при коммутации пакетов. ПустьQ- число линий связи, каждая обладает скоростьюRбит/с. (задержки ожидания и распространения в сети отсутствуют). Общее время пересылкиQL/Rc. (для 1 -L/R…Q-1).
Коммутация пакетов не позволяет организовать передачу в реальном времени, эффективная организация разделения пропускной способности линии связи, простая, эффективная, менее дорогостоящая.
Пример: Пусть есть линия связи с пропускной способностью 1 Мбит/с. Каждый пользователь может пересылать данные со скоростью 10Кбит/с, либо находиться в состоянии простоя. Пусть
пользователь активен 10% от общего времени. Если коммутация каналов: сеть может обслуживать одновременно только 10 пользователей (зарезервирована линия на сеанс).
Если коммутация пакетов: вероятность наличия в сети одновременно активных 11 пользователей, при условии что общее число пользователей 35, составляет 0004. ТО вероятность. что в сети не более 20 пользователей — 0,9996, все пакеты будут проходить через сеть без задержек. При превышении порога в 10 активных пользователей в сети будут наблюдаться перегрузки, которые приведут к появлению и росту очередей пакетов, когда число акт польз упадет ниже 10, очереди станут уменьшаться. Из приведенных расчетов следует, что с вероятностью близкой к 1, сеть с коммутацией пакетов не приведет к дополнительным ожиданиям, обслуживая более чем втрое больше пользователей, чем сеть с коммутацией пакетов.
Сегментирование сообщений: в большинстве современных сетей с коммутацией пакетов передающий хост разбивает длинные сообщений, генерируемые приложениями на более мелкие пакеты, они доставляются адресату, которой собирает из них исходное сообщение. Если в сети с коммутацией пакетов не производится сегментирование исходных сообщений (сообщения передаются целиком), то говорят, что сеть функционирует в режимекоммутации сообщений.
Когда сообщение разбито на пакеты, говорят о конвейерной передачесообщения, то есть параллельной (одновременной) передачи его фрагментов (пакетов) по различным линиям связи.
Пример: Сообщение 7.5 Мбит, скорость 15 Мбит/с
A—-R1—-R2—-B- все каналы имеют одинаковую пропускную способность.
5
Способы коммутации и передачи данных в сетях
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.
Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения.
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.
Достоинства и недостатки коммутации каналов:
- Постоянная и известная скорость передачи данных
- Правильная последовательность прихода данных
- Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть
- Возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения
- Нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей
- Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения
Коммутация сообщений
Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации.
Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения.
При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.
Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.
Коммутация пакетов
Коммутация пакетов — это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, 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 (EtherNet). 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.
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.
Достоинства и недостатки коммутации пакетов:
- Более устойчива к сбоям
- Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика
- Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи