Материал: Сети передачи данных

3.1 Коммутация каналов

Соединение с коммутацией каналов - вид телекоммуникационной сети, в которой между двумя узлами сети должно быть установлено соединение (канал), прежде чем они начнут обмен информацией. Это соединение на протяжении всего сеанса обмена информацией может использоваться только указанными двумя узлами. После завершения обмена соединение должно быть соответствующим образом разорвано.

Типичным примером являются ранние телефонные сети. Абонент должен попросить оператора соединить его с другим абонентом, подключённым к тому же коммутатору или иному коммутатору через линию связи (и другому оператору). В любом случае, конечным результатом было физическое электрическое соединение между телефонными аппаратами абонентов в течение всего разговора. Проводник, задействованный для подключения, не мог быть использован для передачи других разговоров в это время, даже если абоненты на самом деле не разговаривали и на линии была тишина.

Позже стало возможным уплотнение одной физической линии для образования в ней нескольких каналов. Несмотря на это, один канал уплотнённой линии также мог использоваться лишь одной парой абонентов.

Преимущества:

·        высокая стабильность параметров канала во времени;

·        отсутствие необходимости в передаче служебной информации после установления соединения;

·        коммутация каналов может использоваться как в аналоговых, так и в цифровых сетях связи, в отличие от коммутации пакетами, которая возможна только в цифровых сетях.

Коммутация каналов считается недостаточно эффективным способом коммутации, потому что канальная ёмкость частично расходуется на поддержание соединений, которые установлены, но (в настоящее время) не используются.

3.2 Коммутация пакетов

Коммутация пакетов (англ. packet switching) - разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения - логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о датаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов - дейтаграммным режимом.

Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщений позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

меньшее время доставки сообщения в сети;

более эффективное использование буферной памяти в узлах;

более эффективная организация надёжной передачи данных; оо среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений. Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно. Уменьшение времени доставки сообщений при коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи.

Выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 6): когда пакет П1 находится в канале KC4, пакет П2 передаётся по каналу KC3, пакет П3 - по каналу KC2 и пакет П4 - по каналу KC1, что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Рисунок 6 - Коммутация пакетов

Более эффективная организация надежной передачи данных, по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.

Достоинства коммутации пакетов:

·        эффективность использования пропускной способности;

·        меньшие затраты.

Недостатки коммутации пакетов:

·        занимают линии связи;

·        уменьшение ее пропускной способности;

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов, в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, увеличивая равномерность нагрузки.

3.3 Коммутация сообщений

Коммутация сообщений - (КС, message switching) - разбиение информации на сообщения, которые передаются последовательно к ближайшему транзитному узлу, который, приняв сообщение, запоминает его и передаёт далее сам таким же образом. Получается нечто вроде конвейера.

Метод коммутации сообщений (рис. 7) не предполагает предварительного установления выделенного пути между станциями. При передаче сообщения станция добавляет к нему адрес назначения. Сообщение передается по сети от узла к узлу. Сообщение, передаваемое одним узлом, полностью принимается другим, кратковременно сохраняется, а затем передается следующему узлу. Такой тип сети называют "сеть с промежуточным хранением" (store-and- forward network).

Рисунок 7 - Метод коммутации сообщений

Узлы сети коммуникации сообщений обычно создаются на базе универсальных ЭВМ. Необходимыми являются устройства, позволяющие хранить (буферизовать) принимаемые сообщения, которые могут быть довольно длинными. Для данного метода коммутации характерны дополнительные задержки из-за накладных расходов на поиск следующего узла для передачи, на организацию очередности передачи сообщений, а также собственно на передачу сообщения.

Преимущества:

·        перегруженный сетевой трафик данных может быть снижен, поскольку сообщения могут временно сохраняться в промежуточных узлах;

·        сообщениям могут устанавливаться приоритеты. При этом низко приоритетные сообщения задерживаются в узлах, "уступая дорогу" сообщениям с более высокими приоритетами (в этом положительный эффект промежуточного хранения сообщений);

·        одно сообщение может быть разослано многим получателям. Сообщение может сопровождаться широковещательным адресом назначения, указывающим некоторую область сети, узлам которой необходимо переслать сообщение.

Недостатки:

·        метод коммутации сообщений не пригоден для большинства приложений реального времени. Приложения с высокой степенью интерактивности могут только пострадать из-за задержек, присущих схеме с промежуточным хранением. Например, коммутация сообщений не может быть использована для передачи речевой информации;

·        устройства, реализующие схему с промежуточным хранением, довольно дорогие, поскольку они обязательно должны иметь большие магнитные диски для хранения потенциально длинных сообщений.

3.4 Коммутация ячеек

Коммутация ячеек (КЯ, cell switching) - совмещает в себе свойства сетей с коммутацией каналов и сетей с коммутацией пакетов, при коммутации ячеек пакеты всегда имеют фиксированный и относительно небольшой размер (рис. 8).

Рисунок 8 - Структурная схема ячейки

Первые компьютерные сети строились для передачи цифровых (компьютерных) данных с единственным требованием - обеспечить надёжную (без ошибок) доставку данных, при этом время доставки не являлось критичным. Развитие компьютерных технологий и появление необходимости передачи мультимедийных данных, таких как речь и видео, выдвинуло, наряду с надёжной доставкой, новое требование к передаче данных в компьютерных сетях: минимизация времени доставки сообщений. Для реализации этой концепции в начале девяностых годов прошлого столетия была разработана сетевая технология, получившая название Asynchronous Transfer Mode (ATM) -режим асинхронной передачи, назначение которой - передача мультимедийных данных в компьютерной сети с минимальной задержкой.

Как было показано выше при рассмотрении коммутации пакетов, чем короче пакеты, тем меньше время доставки всего сообщения. Исходя из этого, в АТМ-сетях в качестве единицы передачи данных был выбран блок размером в 53 байта (5 байт - заголовок и 48 байт - данные), названный ячейкой (рис. 1.32). Столь странный размер ячейки появился в результате компромисса двух противодействующих групп, из которых одна группа (по одной из версий: традиционные связисты - телефонисты) настаивала на меньшем значении поля данных в 32 байта, а другая (компьютерщики) - на значении в 64 байта. Действительно, меньшее значение размера ячейки обеспечило бы меньшие задержки при доставке данных, однако не следует забывать, что при этом возрастают накладные расходы на передачу заголовков ячеек, что снижает полезную (эффективную) пропускную способность среды передачи. В АТМ-сетях это снижение составляет около 10%. Если же размер поля данных будет 32 байта, то при том же заголовке в 5 байт снижение полезной пропускной способности составит 13,5%. Принимая во внимание, что в мультимедийных сетях обычно используются высокоскоростные каналы, потери пропускной способности могут оказаться значительными, что отрицательно скажется на экономической эффективности компьютерной сети.

Подводя итог сказанному, можно отметить следующие достоинства коммутации ячеек:

маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);

быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация буферной памяти и надежной передачи данных.

Основным недостатком коммутации ячеек является:

наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу заголовка (почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

4. Оборудование сетей

Сеть - это достаточно сложная структура, использующая различные типы связи, коммуникационные протоколы и способы подключения ресурсов. С точки зрения удобства построения и управляемости сети следуют ориентироваться на однотипное оборудование одного производителя. Однако практика показывает, что поставщиков, предлагающих максимально эффективные решения для всех возникающих задач, не существует. Работающая сеть всегда является результатом компромисса - либо это однородная система, неоптимальная с точки зрения цены и возможностей, либо более сложное в установке и управлении сочетание продуктов различных производителей. Далее мы рассмотрим средства построения сетей нескольких ведущих производителей и дадим некоторые рекомендации по их использованию.

Все оборудование сетей передачи данных можно условно разделить на два больших класса - периферийное, которое используется для подключения к сети оконечных узлов, и магистральное или опорное, реализующее основные функции сети (коммутацию каналов, маршрутизацию и т.д). Четкой границы между этими типами нет - одни и те же устройства могут использоваться в разном качестве или совмещать те и другие функции. Следует отметить, что к магистральному оборудованию обычно предъявляются повышенные требования в части надежности, производительности, количества портов и дальнейшей расширяемости. Периферийное оборудование является необходимым компонентом всякой корпоративной сети. Функции же магистральных узлов может брать на себя глобальная сеть передачи данных, к которой подключаются ресурсы. Как правило, магистральные узлы в составе корпоративной сети появляются только в тех случаях, когда используются арендованные каналы связи или создаются собственные узлы доступа.

Периферийное оборудование сетей с точки зрения выполняемых функций также можно разделить на два класса. Во-первых, это маршрутизаторы (routers), служащие для объединения однородных LAN (как правило, IP или IPX) через глобальные сети передачи данных. В сетях, использующих IP или IPX в качестве основного протокола - в частности, в той же Internet - маршрутизаторы используются и как магистральное оборудование, обеспечивающее стыковку различных каналов и протоколов связи. Маршрутизаторы могут быть выполнены как в виде автономных устройств, так и программными средствами на базе компьютеров и специальных коммуникационных адаптеров.

Второй широко используемый тип периферийного оборудования - шлюзы (gateways), реализующие взаимодействие приложений, работающих в разных типах сетей. Полнофункциональный шлюз всегда представляет собой программно-аппаратный комплекс, поскольку должен обеспечивать необходимые для приложений программные интерфейсы.

Заключение

Вычислительные машины прошли путь развития от огромных и очень дорогих компьютеров до современных компактных персональных компьютеров и карманных устройств, находящих применение в повседневной жизни на работе и дома. Современные компьютеры более эффективны, когда они объединены в единую сеть.

Сети передачи данных являются неотъемлемой часть жизнедеятельности человека, они используются в каждой сфере человеческой деятельности.

Технология передачи информации играет важную роль в разрешении конфликтов, всякого рода аварийных ситуаций и, в конечном счете, в стабилизации всего мира. Кроме того, последнее десятилетие сопровождалось революционными изменениями в сети Интернет и вместе с этим радикальными и зачастую непредсказуемыми переменами в способах ведения бизнеса в мировом масштабе.

С момента своего скромного рождения в 1969 году сеть Интернет существенно выросла и стала глобальным феноменом, широко доступным не только для ученых, но и для предприятий и отдельных пользователей. Не будет преувеличением сказать, что сеть Интернет изменила образ нашей жизни и ведения бизнеса. Сейчас Интернет доказал свое право на жизнь и, более того, большая часть мирового населения стала зависеть от него в сфере получения информации и ведении коммерции. Существует много способов доступа в сеть Интернет, отдельные пользователи и корпоративные клиенты имеют разные нужды, но цель всегда одна: присоединиться к мировому сообществу.

Сети имеют множество типов, видов, подвидов, различаются по разным параметрам, таким как среда передачи, способы передачи данных и т.д. С каждым годом идет быстрое развитие сетей передачи данных в их построении, безопасности, способах передачи данных, оборудовании для них, что делает их еще более доступными для простых пользователей.

Список использованной литературы

1 Телекоммуникации. Руководство для начинающих. Авторы: Мур М., Притеки Т., Риггс К., Сауфвик П. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 624 с.

Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов; Под ред. В.В. Крхумалева и В.Н. Гордиенко. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 510 с.