Способы коммутации и передачи данных в информационных системах

Рисунок  4. Общая структура сети с коммутацией абонентов

Сети с коммутацией каналов  имеют более богатую историю, они произошли 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. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

 

2.1. Процедура коммутации каналов

 

В больших сетях могут существовать многочисленные пути, связывающие передатчик и приемник информации. Подобно тому, как поезда проходят по различным  железнодорожным участкам, потоки информации могут коммутироваться с помощью  различных каналов связи.  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. Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов. Рассмотрим первый из  них  –  коммутация  каналов.

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные [3].

В сети с  коммутацией каналов перед передачей  данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на Рисунке 4, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A,  указав адрес назначения 7.  Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E 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 [6].

 

 

Рисунок 5. Установление составного канала [3]

 

Техника коммутации каналов имеет свои достоинства  и недостатки.

Достоинства коммутации каналов

1. Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.
2. Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию [15].

Недостатки  коммутации каналов

1. Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала — например, если абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно для многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки — сигнал "занято".
2. Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, покасоединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения, например в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.
3. Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях  на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов  хорошо работает в тех случаях, когда  нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью "вырезать" паузы из разговора  и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план [20].

 

2.2. Процедура коммутации  сообщений

 

Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется (по адресу, приписываемому в начале сообщения), только на время передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки сообщения. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения. 
Метод коммутации сообщений не предполагает предварительного установления выделенного пути между станциями. Существо метода в следующем. 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) [24].

Узлы  сети коммуникации сообщений обычно создаются на базе универсальных  ЭВМ. Необходимыми являются устройства, позволяющие хранить (буферизовывать) 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.

 

 

Рисунок 6. Схема коммутации сообщений [19]

Преимущества:

• эффективность использования линий сети выше, чем в методе коммутации цепей, поскольку полоса пропускания сети "одновременно" используется большим количеством устройств;
• 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 [15].

 

2.3. Процедура 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. Метод коммутации пакетов может рассматриваться, как средство, которое объединяет в себе достоинства коммутации цепей и коммутации сообщений, и при этом компенсирует недостатки и того, и другого подхода. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами.

 

Рисунок 7. Разбиение сообщения на пакеты

 

 

 

Рисунок 8. Схема коммутации пакетов [14]

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 (Рисунок 7) [13]. 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.

Существует  два способа коммутации пакетов: дейтаграммный и виртуальных цепей. В данном разделе кратко обсуждаются оба способа коммутации пакетов. Оба способа коммутации пакетов предполагают разбиение сообщений на маленькие части, которые называются пакетами. Каждый пакет отмечается адресом источника данных и адресом получателя (назначения). Поскольку пакеты имеют четко определенный максимальный размер, они могут сохраняться в оперативной памяти ЭВМ в отличие от метода коммутации сообщений, в котором сообщения хранятся на магнитном диске. Это может привести к экономии средств. Кроме этого при таком подходе естественно сокращаются задержки доступа к данным, так как обращение к ОЗУ ЭВМ выполняется значительно быстрее, чем к магнитному диску.

Дейтаграммы

Дейтаграммная коммутация пакетов подобна коммутации сообщений в том, что каждое сообщение (пакет) содержит исчерпывающую адресную информацию. Это позволяет осуществлять передачу дейтаграммы по всевозможным путям, имеющимся в сети. Однако при этом возникает проблема возможного перемешивания пакетов в ходе их передачи по сети, проявляющаяся в том, что на приемный конец пакеты могут поступать не в том порядке, в котором они передавались источником сообщения. Поэтому наряду с адресами пакеты содержат последовательные номера. Процедура пакетирования (фрагментации) сообщений и нумерации дейтаграмм выполняется специальными устройствами PAD (Packet Assembly and Disassembly) [8].

Дейтаграммы передаются по наиболее подходящим маршрутам. Рассмотрим рисунок. Предположим, что  в узле В звено, ведущее к узлу D, занято. Тогда узел В для передачи первой дейтаграммы будет использовать звено, ведущее к узлу С. Таким образом, каждое устройство, передавая очередной пакет, может выбрать лучший маршрут, исходя из сложившейся обстановки. Поскольку отдельные пакеты в процессе их передачи по сети могут отстать друг от друга, то целевое устройство PAD должно иметь возможность принимать пакеты в произвольном порядке, выполняя их реорганизацию в соответствии с последовательными номерами, восстанавливая таким образом исходное сообщение.

Виртуальные цепи

Метод виртуальных  цепей предполагает установление, так  называемого, логического соединения между передатчиком и приемником. Логическое соединение считается установленным  после того, как передатчик и приемник обменяются специальными сообщениями (осуществят переговоры). Обмен специальными сообщениями позволяет передатчику  и приемнику согласовать такие  параметры передачи, как максимальный размер сообщения, маршрут передачи, и ряд других параметров, необходимых  для установления и поддержания  связи. Метод виртуальных цепей  обычно обеспечивает механизмы подтверждения, управления потоком данных, контроля ошибок, то есть обеспечивает определенный уровень надежности передачи данных. Кроме этого, предполагается наличие  механизмов оповещения высокоуровневых  протокольных объектов о возникающих  проблемах поддержания логического  соединения. Логические соединения, устанавливаемые в соответствии с методом виртуальных цепей могут быть временными или постоянными [1].

Основное  различие между дейтаграммной коммутацией пакетов и коммутацией пакетов на основе виртуальных цепей заключается в том, что в последнем случае требуется предварительное установление логического соединения. Дейтаграммные услуги передачи данных более гибкие, но менее надежные. Дейтаграммная коммутация пакетов, кроме этого, является более быстрой, поскольку низки накладные расходы на обеспечение административной поддержки передачи данных.

 

Преимущества:

• пакетная коммутация наиболее эффективна, поскольку в коммутирующих устройствах нет необходимости использовать большое количество вторичной памяти;
• пакетная коммутация обеспечивает улучшенные характеристики задержки передачи данных, поскольку отсутствуют очереди длинных сообщений и при этом алгоритм коммутации может быть настроен на обеспечение оптимальности доставки пакетов максимального размера;
• адаптивная маршрутизация пакетов решает такие проблемы, как занятость или неготовность каналов;
• пакетная коммутация максимизирует использование полосы пропускания каналов.