Какой способ коммутации наиболее распространен сегодня в компьютерных сетях

Способы коммутации и передачи данных в сетях

В данной статье мы рассмотрим основные методы коммутации в сетях.

Что такое коммутация?

В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).

Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную не коммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация — это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:

• коммутация каналов (circuit switching);
• коммутация пакетов (packet switching);
• коммутация сообщений (message switching).

Коммутация каналов

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.

6.4 Методы коммутации в компьютерных сетях

В любой компьютерной сети необходимо обеспечить доступность имеющихся физических каналов связи одновременно нескольким компьютерам. Предоставление физических каналов во время сеансов связи между компьютерами в сети называется коммутацией. Существуют три различные схемы коммутации в сетях: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

Сети с коммутацией каналов исторически появились первыми в виде первых телефонных сетей. Коммутация каналов подразумевает образование составного канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения.

Указанные сети обладают высокой надежностью, минимальными затратами на маршрутизацию. К недостаткам можно отнести невозможность объединения в один канал узлов работающих с разной скоростью передачи данных, что вызывает пульсацию скорости передачи данных

Коммутация пакетов — эта схема была специально разработана для компьютерных сетей, где различные компьютеры сети могут иметь различное быстродействие. При коммутации пакетов все передаваемые сообщения разбиваются передающим компьютером на небольшие части (от 46 до 1500 байт), называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета к принимающему компьютеру, а также номер пакета, используемый для «сборки» сообщения на принимающем компьютере. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Специальные устройства сети коммутаторы принимают пакеты от передающих компьютеров и на основании адресной информации передают их друг другу до конечного принимающего компьютера. За счет буферизации (задержки) пакета во внутренней памяти коммутатора (если требуемый участок сети занят передачей другой информации) выравнивается скорость передачи данных в сети в целом и повышается пропускная способность сети.

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных через промежуточные транзитные компьютеры с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи сообщений, требующих быстрого ответа, например, службы WWW сети Интернет. Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной с точки зрения пропускной способности сети. Сегодня коммутация сообщений работает как служба прикладного уровня только для некоторых не оперативных служб.

6.4. Стандартизация компьютерных сетей. Понятия интерфейса, протокола и стека

По своей сущности компьютерная сети является совокупностью компьютеров и сетевого оборудования, соединенных каналами связи. Поскольку компьютеры и сетевое оборудование могут быть разных производителей, то возникает проблема их совместимости. Без принятия всеми производителя общепринятых правил построения оборудования создание компьютерной сети было бы невозможно. Поэтому разработка и создание компьютерных сетей может происходить только в рамках утвержденных стандартов.

В основу стандартизации компьютерных сетей положен принцип декомпозиции, т.е. разделения сложных задач на отдельные более простые подзадачи. Каждая подзадача имеет четко определенные функции и строго установленные связи между подзадачами. При более внимательном рассмотрении работы компьютера в сети можно выделить две основные подзадачи:

взаимодействие программного обеспечения пользователя с физическим каналом связи (посредством сетевой карты) в пределах одного компьютера

взаимодействие компьютера через канал связи с другим компьютером

Современное программное обеспечение компьютера имеет многоуровневую модульную структуру, т.е. программный код, написанный программистом и видимый на экране монитора (модуль верхнего уровня), проходит несколько уровней обработки, прежде чем превратится в электрический сигнал (модуль нижнего уровня), передаваемый в канал связи.

При взаимодействии компьютеров через канал связи оба компьютера должны выполнять ряд соглашений. Например, они должны согласовать величину и форму электрических сигналов, длину сообщений, методы контроля достоверности и т.д. Соглашения должны быть такими, чтобы они были поняты каждым модулем на соответствующе уровне каждого компьютера.

Суть работы многоуровневого протокола можно пояснить как «письмо в конверте». Каждый уровень протокола надписывает на «конверте» свою информацию. Сетям нужно только понимать «надпись» на «конверте», чтобы предать его в место назначения, а до содержания письма им дела нет.

На Рис.2 схематически показана модель взаимодействия двух компьютеров в сети. Для упрощения показаны четыре уровня модулей для каждого компьютера. Процедура взаимодействие каждого уровня этих компьютеров может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары модулей соответствующих уровней.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются модули, лежащие на одном уровне, но в различных компьютерах называются протоколами. Модули, реализующие протоколы соседнего уровня и находящиеся в одном компьютере, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называются интерфейсом и определяют набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему уровню. Другими словами, в сетевых технологиях традиционно принято, что протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня, но в разных компьютерах, а интерфейсы – соседних уровней в одном компьютере. Модули, таким образом, должны обрабатывать: во- первых свой собственный протокол, а во- вторых интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов для взаимодействия компьютеров в сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Модули, реализующие протоколы соседнего уровня и находящиеся в одном компьютере, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называются интерфейсом и определяют набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему уровню.

Другими словами, в сетевых технологиях традиционно принято, что протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня, но в разных компьютерах, а интерфейсы – соседних уровней в одном компьютере. Модули, таким образом, должны обрабатывать: во- первых свой собственный протокол, а во- вторых интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов для взаимодействия компьютеров в сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней, как правило, реализуются комбинацией программно- аппаратных средств, а протоколы верхних уровней- чисто программными средствами.

Отметим, что протоколы каждого уровня обладают независимостью друг от друга, т.е. протокол любого уровня может быть изменен не оказывая при этом никакого влияния на протокол другого уровня. Главное, чтобы интерфейсы между уровнями обеспечивали необходимые связи между ними.

1-й компьютер 2-й компьютер

Модуль 1-го уровня

Модуль 1-го уровня

Модуль 2-го уровня

Модуль 2-го уровня

Модуль 3-го уровня

Модуль 3-го уровня

Модуль 4-го уровня

Модуль 4-го уровня

Рис. 2 Взаимодействие двух компьютеров в сети

Принцип взаимодействия компьютеров в сети можно объяснить на примере сотрудничества двух фирм. Два генеральных менеджера каждой из фирм осуществляют сделки между собой на основании заключенных договоров и соглашений. Указанные взаимодействия являются «протоколом уровня генеральных менеджеров». На каждой из фирм у менеджеров есть секретари, причем каждый менеджер имеет свой метод и стиль работы с секретарем. Один, например, предпочитает устные указания, а второй дает только письменные распоряжения. Таким образом, каждая фирма имеет свой собственный интерфейс «главный менеджер — секретарь», что не мешает, однако, нормально работать генеральным менеджерам между собой. Секретари в свою очередь договорились обмениваться информацией с помощью факсов, реализуя протокол «секретарь — секретарь». В случае, если секретари перейдут на электронную почту, то генеральные менеджеры этого даже и не заметят- главное, чтобы секретари выполняли их распоряжения, т.е. должен безукоризненно работать интерфейс «менеджер — секретарь». С другой стороны, менеджеры могут заключить совершенно новый договор, т.е. изменить «протокол уровня генеральных менеджеров». Передача не старого, а нового договора на уровне секретарей пройдет для этих секретарей абсолютно не замеченной.

В рассмотренном примере мы определили два уровня протоколов – уровень генеральных менеджеров и уровень секретарей. Каждый из указанных уровней имеет свой собственный протокол, который может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Такую независимость обеспечивает правильное функционирование интерфейсов «менеджер — секретарь».

Независимость протоколов каждого уровня друг от друга и взаимодействие самих уровней посредством интерфейсов является важнейшей предпосылкой для создания ряда стандартных протоколов для компьютерных сетей.

Методы коммутации в компьютерных сетях

Методы коммутации в компьютерных сетях — это методах соединения абонентов компьютерных сетей через транзитные узлы.

Введение

В обычных телефонных сетях, связь абонентов осуществляется при помощи коммутации каналов связи. Изначально коммутация телефонных каналов связи исполнялась в ручном режиме, затем коммутацию стали выполнять автоматические телефонные станции (АТС). Похожий принцип применяется и в компьютерных сетях. В качестве абонентов могут выступать территориально удаленные электронные вычислительные машины, которые объединены в компьютерные сети. С практической точки зрения является невозможным выделить всем компьютерным устройствам свои собственные не коммутируемые линии связи, которые они бы смогли использовать в течение всего времени.

По этой причине фактически в любой компьютерной сети всегда применяется какой-нибудь метод коммутации абонентов, то есть, рабочих станций, который предоставляет возможность доступа к имеющимся каналам связи для ряда абонентов, что позволяет обеспечить одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация является процессом соединения разных абонентов коммуникационной сети при помощи транзитных узлов. Коммуникационные сети способны обеспечить связь подключенных к ним абонентов между собой. Абонентами могут быть компьютерные устройства, фрагменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции могут подключаться к коммутаторам при помощи индивидуальных линий связи, каждая из которых может использоваться в какой-либо момент времени лишь одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы должны соединяться между собой с применением разделяемых линии связи, которые могут использоваться совместно несколькими абонентами.

Методы коммутации в компьютерных сетях

Существую следующие самые распространенные методы коммутации абонентов в компьютерных сетях:

1. Метод коммутации каналов (circuit switching).
2. Метод коммутации пакетов (packet switching).
3. Метод коммутации сообщений (message switching).

Коммутация каналов предполагает формирование непрерывного составного физического канала из последовательно связанных отдельных канальных участков, предназначенных для непосредственной передачи данных среди узлов. Отдельные каналы должны быть соединены между собой при помощи специальной аппаратуры, а именно, коммутаторов, которые способны установить связь среди любых конечных узлов сети. В сети с коммутацией каналов перед трансляцией информационных данных всегда следует исполнить процедуру установки соединения, в процессе которой и формируется составной канал. Время передачи сообщения при этом может определяться пропускной способностью канала, длинной связи и объемом сообщения.

Коммутаторы, а также каналы, которые их соединяют, обязаны обеспечить возможность одновременной передачи данных несколькими абонентскими каналами. Для того чтобы это реализовать, они должны являться высокоскоростными и способными поддержать какую-нибудь технику мультиплексирования абонентских каналов. К числу достоинств и недостатков коммутации каналов необходимо отнести следующие моменты:

• наличие постоянной и известной скорости передачи данных.
• наличие правильной последовательности прихода данных.
• наличие низкого и постоянного уровня задержки передачи данных через сеть.
• присутствие возможности отказа сети в обслуживании запроса на установление соединения.
• наличие нерационального использования пропускной способности физических каналов, к примеру, невозможность использования пользовательского оборудования, которое работает с различной скоростью. Отдельные фрагменты составного канала могут работать с одинаковой скоростью, поскольку сети с коммутацией каналов не могут буферизировать данные пользователей.
• наличие обязательной задержки перед передачей данных из-за необходимости сначала установить соединение.

Коммутацией сообщений является разделение информации на ряд сообщений, каждый из которых имеет свой заголовок и информацию. Это метод взаимодействия, при котором формируется логический канал, за счет поочередной трансляции сообщений через узлы связи по адресу, который должен быть указан в заголовке сообщения. Причем все узлы принимают сообщение, записывают его в память, выполняют обработку заголовка, осуществляют выбор маршрута и выдают сообщение из памяти в очередной узел.

Время доставки сообщения зависит от времени его обработки в каждом узле, количества узлов и пропускной способности сети. Когда завершается передача информации из узла «А» в узел связи «В», то узел «А» освобождается и может принять участие в организации следующей связи между абонентами. Это означает более эффективное использование канала связи, но система управления маршрутизацией становится более сложной. На сегодняшний день коммутации сообщений в чистом виде фактически уже нет.

Коммутация пакетов является особым методом коммутации узлов сети, который специально был создан для самой лучшей передачи компьютерного трафика, то есть, пульсирующего трафика. Опыты по созданию самых первых компьютерных сетей, в основание которых была заложена техника и технологии коммутации каналов, показали, что данный тип коммутации не позволяет получить высокую пропускную способность компьютерной сети. Причиной являлся именно пульсирующий характер трафика, который способны генерировать стандартные сетевые приложения.

При осуществлении коммутации пакетов, каждое транслируемое пользователем сети сообщение должно разбиваться в исходном узле на относительно маленькие фрагменты, именуемые пакетами. Следует подчеркнуть, что под сообщением понимается логически завершенный объем данных, то есть, запрос на трансляцию файла, получение ответа на данный запрос, содержащий весь файл, и тому подобное. Сообщения могут обладать произвольной длиной, а именно, от нескольких байт до десятков мегабайт.