Теоретические сведения. 1.1. Технологии синхронного и асинхронного режимов переноса

1.1. Технологии синхронного и асинхронного режимов переноса

Передача информации в цифровом виде от одного абонента к другому может производиться в одном из следующих режимов переноса:

- канальный (channel);

- пакетный (packet);

- кадровый (frame);

- ячеечный (cell).

Использование общей коммуникационной линии для одновременного обслуживания нескольких соединений называется мультиплексированием. В синхронных системах цифровые сигналы передаются по линии связи с помощью мультиплексирования с разделением по времени (TDM – time division multiplexing). Временное синхронное мультиплексирование заключается в том, что линия связи на короткий промежуток времени, называемый временным каналом, поочередно предоставляется одному из источников информации. Каждому источнику соответствует временной канал со строго фиксированным порядковым номером в пределах цикла передачи. Поэтому для передачи информации от одного источника к другому необходимо произвести коммутацию соответствующих временных каналов, для чего устанавливается соединение входа с выходом системы. Такой режим переноса информации называется канальным. Он обеспечивает хорошее качество передачи речи, но обладает следующими недостатками:

- низкая эффективность использования канала, так как после установления соединения емкость коммутированного канала недоступна для других соединений во время сеанса связи, даже если данные не передаются;

- обеспечивается передача информации на постоянной скорости, что ограничивает возможности по подключению абонентских терминалов различной производительности.

Повысить эффективность использования канала связи можно путем предоставления абоненту не всей полосы канала, а лишь только кратковременной возможности для передачи его сообщения целиком. В таком случае связь осуществляется не в реальном масштабе времени, поскольку информация пользователя принимается, накапливается и затем лишь передается. Если в тракте несколько транзитных узлов, то в каждом пункте эти сообщения, состоящие из заголовка и собственно сообщения, принимаются, накапливаются и при наличии свободных путей, затем передаются дальше в соответствии с их адресом, находящимся в заголовке. Таким образом, неизбежна задержка информации, которая делает режим передачи сообщений непригодным для речевого обмена.

Пакетный и его производные режимы переноса информации (кадровый и ячеечный) способны устранить эти недостатки. Для этого всё сообщение (обычно большой длины) разбивается на небольшие части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается определенный порядковый номер, а в заголовке устанавливается одинаковый адрес получателя. Пакеты могут передаваться через сеть или коммутационный блок по различным свободным путям и в любом порядке, однако в вызываемом пункте пакеты принимаются и затем записываются в первоначальном порядке так, чтобы восстановилось исходное сообщение. При этом возможна задержка пакетов, однако она будет значительно меньше, чем в случае передачи сообщений, поскольку длительность переприема каждого из более коротких пакетов меньше, чем сообщения целиком.

Коммутация пакетов имеет следующие преимущества перед коммутацией каналов:

- эффективное использование канала, поскольку при использовании системы приоритетов можно динамически перераспределять ресурсы канала между пакетами от различных источников (пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшими задержками);

- возможно преобразование скорости передачи данных, что обеспечит возможность обмена информации между источниками, подключенными каналами разной пропускной способности;

- нет отказов в соединении, даже если сеть перегружена, а лишь могут возникнуть задержки с доставкой информации.

В основном используется размер пакетов по 128 байт, но могут быть и другие (256, 512…4096). Для некоторых технологий в одном сеансе передачи длина пакетов может изменяться в зависимости от загруженности канала.

Для широко известного протокола передачи пакетов Х.25 характерна многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок, что позволяет решать проблемы плохих каналов связи. На пути движения пакета проверяется его целостность и если по контрольной сумме, передаваемой в заголовке пакета, невозможно его восстановление, то посылается запрос о повторной передаче пакета. Поэтому высокий уровень помех в линии заметно снижает скорость передачи до 64 Кбит/с.

Для линий с низким уровнем помех применяется протокол передачи кадров Frame Relay, в котором значительно уменьшена избыточность кодировки и упрощена система заголовков (меньше служебной информации). Здесь производится проверка не каждого пакета в отдельности, а только адресного поля всего кадра (группы пакетов, оформленных в кадр). Таким способом достигается скорость передачи до 2 Мбит/с.

В технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode) передача информации производится пакетами фиксированной длины в 53 байта, из которых 5 байт отводится для заголовка, а 48 байт – для информации пользователя. Такие пакеты называются ячейками (cell), которые не оформляются в кадр. Ячейки передаются по каналу непрерывно, даже если нет передачи информации («пустые» ячейки). Они выполняют функцию «транспорта» по доставке информации. В отличие от синхронного временного мультиплексирования, где для передачи сообщения используются фиксированные тайм-слоты ^[1] (time slot) через равные промежутки времени (длительность цикла), в АТМ источнику информации ячейки для транспортировки данных могут предоставляться неравномерно, в зависимости от потребности в скорости передачи или от возможностей канала связи в данный момент времени.

В случае передачи информации пакетами, кадрами или ячейками говорят об асинхронном режиме переноса информации, который характеризуется тем, что не требуется осуществлять синхронизацию на протяжении всего тракта передачи от начального пункта до конечного. Достаточно обеспечить синхронную передачу последовательности битов только между соседними пунктами.

1.2.Принципы построения пакетного коммутатора

В узлах коммутации пакетов функции коммутации, а в данном случае, точнее «маршрутизации», могут выполняться одним процессором, где пакеты обрабатываются в многопрограммном режиме. Часть обработки состоит в анализе адресной части заголовка пакета и направлении его по соответствующему этому адресу маршруту. Однако для повышения производительности применяются либо многопроцессорные системы, либо специальные коммутационные системы с многочисленными входами и выходами, где обеспечивается параллельная обработка большого числа одновременно коммутируемых пакетов. Такие коммутаторы могут быть как электронные, так и оптические и делятся на три типа:

коммутаторы с общей памятью;

коммутаторы с общей шиной (временным разделением);

коммутаторы с пространственным разделением.

Коммутаторы с общей памятью имеют входные и выходные контроллеры по числу каналов, по которым поступают пакеты. Все пакеты записываются из одних контроллеров в общую память и считываются в другие из той же памяти, чем и достигается их маршрутизация. Это требует большой скорости записи/чтения. Например, для 32-канального коммутатора с канальной скоростью 10 Мбит/с требуется скорость записи/чтения не менее 640 Мбит/с.

Коммутаторы с общей шиной также имеют входные и выходные контроллеры по числу каналов. Пакеты, поступающие через контроллеры, мультиплексируются с высокой скоростью передачи на общую шину с разделением по времени. Здесь контроллеры имеют индивидуальную быстродействующую память (конечно меньшего объема, чем в предыдущем случае), что позволяет независимо формировать выходные очереди.

Коммутаторы с пространственным разделением делятся на две группы: матричные и типа «баньян» (дерево). В основе каждого из них лежит коммутационный элемент (КЭ) «2 на 2», показанный на рис. 1.

Рисунок 1 - КЭ в сквозном состоянии (а) и в перекрестном (б)

Коммутационный элемент может находиться в одном из двух состояний: сквозном или перекрестном. При этом пакет со входа на выход передается в показанных стрелками направлениях. Переключение КЭ из одного состояния в другое осуществляется под воздействием адресной информации, содержащейся в заголовке пакета. Для одного КЭ используется только один бит из всего адреса. Под его управлением выбирается номер выхода в данном КЭ и при значении бита, равном «0», пакет направляется на нулевой выход КЭ, а при значении, равном «1» - на первый. Анализируется этот бит индивидуальным управляющим устройством, имеющимся в каждом КЭ.

В коммутаторе последовательно соединенными оказываются несколько КЭ и каждый из них «преодолевается» под управлением одного разряда адресной информации ^[2]. Для этого на входе коммутатора в заголовок пакета к адресу, определяющему конечный пункт назначения, добавляется еще и дополнительная адресная часть, определяющая маршрут движения пакета внутри коммутатора. На выходе коммутатора эта часть удаляется. Биты дополнительной адресной части управляют процессом прохождения пакета через коммутатор. Так осуществляется «самомаршрутизация» пакета, где управляющие функции распределены по всем КЭ.

В основе матричного коммутатора лежит квадратный массив из N² КЭ, где N - число входов/выходов. С увеличением числа входов/выходов (более 20) значительно усложняется работа коммутатора.

Коммутаторы типа «баньян» (дерево) являются многокаскадными. Число входов/выходов определяется из соотношения N=2^k, где k - число каскадов разветвления. В этом коммутаторе существует только единственный путь от каждого входа к конкретному выходу. Поэтому схема имеет существенный недостаток, заключающийся в возможности «конфликтов» между пакетами, для которых пути от входа к выходу разные, но пересекаются на каком-либо одном и том же КЭ. Блокировка может наступить и в случае одновременного прихода пакетов разными путями на один и тот же выход. Для устранения указанных недостатков можно предусмотреть буферную память в каждом КЭ, где время задержки пакета составит длительность одного пакетного цикла.

1.3 Процесс установления соединения в коммутаторе

В пакетном коммутаторе происходит самостоятельная маршрутизация каждого пакета в отдельности при помощи адресной информации, которая содержится в его заголовке. При этом каждый разряд адреса анализируется индивидуально управляющим устройством КЭ каждого каскада, через которые проходит пакет.

Схема пакетного коммутатора типа «баньян» на восемь входов и восемь выходов показана на рис. 2. На схеме пакетного коммутатора показан маршрут прохождения пакета от входа №1 к выходу №5. Дополнительная адресная часть заголовка пакета содержит двоичный код «101», что соответствует цифре «пять». Старший разряд, равный «1», привел к коммутации пакета на первый выход КЭ первого каскада. Затем следующий разряд, равный «0», вынудил КЭ второго каскада направить пакет на свой нулевой выход. И, наконец, младший разряд адресного кода, равный «1» направил пакет в третьем каскаде на первый выход КЭ, который в итоге является пятым выходом коммутатора. Таким образом, совместными действиями все три КЭ коммутатора маршрутизировали (коммутировали) пакет от входа к выходу.

Рисунок 2 - Схема пакетного коммутатора типа «баньян»

В реальных коммутаторах коммутация пакетов реализуется следующими режимами: дейтаграммным, виртуального канала и виртуального соединения. При дейтаграммном режиме каждый пакет одного сообщения движется самостоятельно, независимо от того, как продвигаются пакеты этого же сообщения, идущие впереди него или после. В режиме виртуального канала фазе передачи пакетов сообщения предшествует фаза установления логического соединения между корреспондентами, которое называется виртуальным каналом. Для режима виртуального соединения в фазе установления виртуального канала производится еще и резервирование буферной памяти узлов, входящих в маршрут следования пакетов. Это способствует прохождению пакетов без задержек.