Коммутация в сетях

Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, об­работки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая таким обра­зом необходимости создания специальных линий связи.

Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые телефонные линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоро­стью передачи. Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения або­нентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разде­ления. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затра­тами при большом количестве монопольно используемых связных ре­сурсов в двухточечном режиме.

Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в кото­рой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая те­лефонная сеть.

Существуют следующие методы коммутации:

• коммутация цепей (каналов);

• коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь разде­ляемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов. Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между свя­зываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по кана­лу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанав­ливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечива­ется с помощью последовательного включения нескольких коммута­ционных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соеди­нение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сто­рона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке про­хождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и або­нент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает боль­шим из-за необходимости организации взаимодействия значительно­го числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при исполь­зовании метода коммутации цепей передача информации обеспечи­вается двумя основными составляющими в расходной части ресур­сов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределе­ния временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая — прямо пропорциональна ин­тервалу времени, в течение которого происходит соединение.

В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

• длительное время установления сквозного канала связи из-за воз­можного ожидания освобождения отдельных его участков;

• необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятос­ти вызываемой стороны или какого-либо коммутационного уст­ройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим сис­тема, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

• отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

• возможность монополизации канала одним источником информа­ции;

• наращивание функций и возможностей сети ограниченно;

• не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возмож­ности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны). Преимущества метода коммутации цепей:

• отработанность технологии коммутации цепей (первое коммута­ционное устройство появилось еще в конце XIX в.);

• возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;

• обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по вре­мени независимо от числа ЦКК между абонентами;

• довольно широкая область применения (главным образом переда­ча акустических сигналов).

Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них ха­рактерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной ка­нал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызы­вающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, отно­сятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования ско­ростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реа­лизуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.

Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 60—70-х гг. и до сих пор широко используется в некото­рых областях (в электронной почте, электронных новостях, телекон­ференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с проме­жуточным хранением, технология коммутации сообщений относит­ся к технологии типа «запомнить и послать». Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение «глав­ный — подчиненный». Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в цен­тре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рас­сматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприори­тетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, незави­симо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в про­цессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назна­чения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую пере­дачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.

Недостатки метода коммутации сообщений:

• необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообще­ний, что обусловливается сохранением их целостности;

• недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

• выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры «главный — подчиненный»);

• коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности;

• каналы передачи данных используются менее эффективно по сравне­нию с другими методами коммутации с промежуточным хранением. Преимущества метода:

• отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала пере­дачи данных) установлении сквозного канала связи между або­нентами;

• возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

• реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

• возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

• отсутствие потерь запросов на обслуживание.

Коммутация пакетов, появившаяся в 70-х гг., сочетает в себе пре­имущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени ре­акции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексиро­вания возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассре­доточение критических компонентов (коммутаторов) сети.

При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксиро­ванной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информаци­ей: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получате­ля, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверно­сти передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм. Уп­равление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществля­ется центрами коммутации пакетов (ЦКК) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКК не предполагается, поэтому па­кеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации па­кетов позволяет:

• увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;

• легче преодолеть трудности, связанные с подключением к комму­таторам дополнительных линий связи;

«осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход повреж­денных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышен­ные удобства для пользователей;

• существенно сократить время на передачу пользовательских дан­ных, повысить пропускную способность сети и повысить эффек­тивность использования сетевых ресурсов.

Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплек­сирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет муль­типлексировать многие пользовательские сеансы на один порт ком­пьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация паке­тов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметрич­ных потоков в каналах связи.

Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода комму­тации цепей. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации цепей, что объясняется необходимос­тью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации,

В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.

Символьная коммутация (субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной комму­тации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информаци­онные биты, принадлежащие различным пользователям.

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Пер­вое из них — уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе — обеспечение повышения эффек­тивности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличени­ем длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка стано­вится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффектив­ность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факто­ров: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости передачи) и стоимости. Для каждой пере­дающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновремен­ным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей по небольшому количе­ству символов (информационных битов) и загрузки их в один пакет общего доступа.

Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода

коммутации, основанного на использовании в определенном сочета­нии принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной комму­тации и обеспечивающего более эффективное управление разнород­ным трафиком.