Мережі комутації каналів і пакетної передачі даних

коммутация каналов, составной канал, коммутация пакетов, дейтаграммная передача, виртуальный канал, элементарный канал

Комутація каналів та пакетів - це методи вирішення узагальненого завдання комутації даних у будь-якій мережній технології. Комплекс технічних рішень узагальненої задачі комутації у своїй сукупності складається з приватних завдань передачі даних.

До приватних завдань мереж передачі даних належать:

• визначення потоків та відповідних маршрутів;
• фіксація маршрутів у конфігураційних параметрах та таблицях мережевих пристроїв;
• Розпізнавання потоків та передача даних між інтерфейсами одного пристрою;
• мультиплексування/демультиплексування потоків;
• Поділ середовища передачі.

Серед безлічі можливих підходів до вирішення узагальненої задачі комутації абонентів у мережах виділяють два основні, до яких відносять комутацію каналів та комутацію пакетів . При цьому існують традиційні області застосування кожної з технік комутації, наприклад, телефонні мережі будувалися і продовжують будуватися з використанням техніки комутації каналів, а комп'ютерні мережі переважно засновані на техніці комутації пакетів.

Так, як інформаційних потоків у мережах з комутацією каналів виступають дані, якими обмінюються пари абонентів. Відповідно глобальною ознакою потоку є пара адрес (телефонних номерів) абонентів, що зв'язуються між собою. Однією з особливостей мереж із комутацією каналів є поняття елементарного каналу.

Елементарний канал

Елементарний канал (або просто канал) — це базова технічна характеристика мережі з комутацією каналів, яка є деяким фіксованим у межах даного типу мереж значенням пропускної спроможності. Будь-яка лінія зв'язку в мережі з комутацією каналів має пропускну здатність, кратну елементарному каналу, прийнятому для типу мережі.

У традиційних телефонних мережах величина швидкості елементарного каналу дорівнює 64 Кбіт/с , що досить якісної цифрової передачі голосу.

Для якісної передачі голосу використовується частота квантування амплітуди звукових коливань 8000 Гц (дискретизація за часом з інтервалом 125 мкс). Для представлення амплітуди одного виміру найчастіше використовується 8 біт коду, що дає 256 градацій звукового сигналу (дискретизація за значеннями).

В цьому випадку для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна здатність 64 Кбіт/с:

8000 х 8 = 64 000 біт/с чи 64 Кбіт/с.

Такий голосовий канал називають елементарним каналом цифрових телефонних мереж. Особливістю мереж з комутацією каналів є те, що пропускна здатність кожної лінії зв'язку повинна дорівнювати цілій кількості елементарних каналів.

Складовий канал

Зв'язок, побудований шляхом комутації (з'єднання) елементарних каналів, називають складовим каналом.

Складовий канал Властивості складового каналу:

• Складовий канал на всьому своєму протязі складається з однакової кількості елементарних каналів;
• Складовий канал має постійну і фіксовану пропускну здатність на всьому своєму протязі;
• Складовий канал створюється тимчасово на період сеансу зв'язку двох абонентів;
• на час сеансу зв'язку всі елементарні канали, що входять до складового каналу, надходять у виняткове користування абонентів, для яких було створено цей складовий канал;
• протягом усього сеансу зв'язку абоненти можуть надсилати в мережу дані зі швидкістю, що не перевищує пропускну здатність складового каналу;
• дані, що надійшли в складовий канал, гарантовано доставляються викликаному абоненту без затримок, втрат і з тією ж швидкістю (швидкістю джерела) незалежно від того, чи існують у цей час мережі інші з'єднання чи ні;
• Після закінчення сеансу зв'язку елементарні канали, що входили у відповідний складовий канал, оголошуються вільними і повертаються в пул ресурсів, що розподіляються, для використання іншими абонентами.

Відмова у з'єднанні

Відмова у з'єднанні Запити на з'єднання не завжди завершуються успішно.

Якщо на шляху між абонентами, що викликають і викликаються, відсутні вільні елементарні канали або викликаний вузол зайнятий, то відбувається відмова у встановленні з'єднання.

Перевага комутації каналів

Технологія комутації каналів спрямовано мінімізацію випадкових подій у мережі, тобто це технологія. Щоб уникнути будь-яких можливих невизначеностей, значна частина роботи з організації інформаційного обміну виконується заздалегідь, ще до того, як почнеться власне передача даних. Спочатку за заданою адресою перевіряється доступність необхідних елементарних каналів по всьому шляху від відправника до адресата. Але у випадку з пульсуючим трафіком цей підхід є неефективним, так як до 80% часу канал може простоювати.

Пакетна комутація

Найважливішим принципом функціонування мереж з комутацією пакетів є представлення інформації, що передається через мережу, як структурно відокремлених друг від друга порцій даних, званих пакетами . Кожен пакет має заголовок , в якому міститься адреса призначення та інша допоміжна інформація (довжина поля даних, контрольна сума та ін.), що використовується для доставки пакета адресату.

Наявність адреси в кожному пакеті є однією з найважливіших особливостей техніки комутації пакетів, тому що кожен пакет може бути оброблений комутатором незалежно від інших пакетів, що становлять трафік мережі. Крім заголовка у пакета може бути ще одне додаткове поле, що розміщується в кінці пакета і тому зване кінцевиком. В кінцівіку зазвичай міститься контрольна сума, яка дозволяє перевірити, чи була спотворена інформація при передачі через мережу чи ні.

Розбиття даних на пакети

Розбиття даних на пакети відбувається у кілька етапів. Вузол відправник формує ланцюжок даних, що передаються, яка розбивається на рівні частини. Після чого відбувається утворення пакетів шляхом додавання заголовної службової інформації. І останнім етапом відбувається складання пакетів у вихідне повідомлення у вузлі призначення.

Розбиття даних на пакети ### Передача даних через мережу у вигляді пакетів

Передача пакетів по мережі Як і в мережах з комутацією каналів, в мережах з комутацією пакетів для кожного з потоків вручну або автоматично визначається маршрут, що фіксується в таблицях комутації, що зберігаються на комутаторах. Пакети, потрапляючи на комутатор, обробляються і надсилаються тим чи іншим маршрутом

Невизначеність та асинхронність переміщення даних у мережах з комутацією пакетів висуває особливі вимоги до роботи комутаторів у таких мережах.

Головна відмінність пакетних комутаторів від комутаторів в мережах з комутацією каналів полягає в тому, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів. Комутатору потрібні буфери узгодження швидкостей передачі у лініях зв'язку, підключених до його інтерфейсів, і навіть узгодження швидкості надходження пакетів зі швидкістю їх комутації.

Методи просування пакетів

Пакетний комутатор може працювати на підставі одного з трьох методів просування пакетів:

• Дейтаграмна передача;
• передача із встановленням логічного з'єднання;
• передача із встановленням віртуального каналу.

Дейтаграмна передача

Дейтаграмний спосіб передачі даних заснований на незалежному просуванні пакетів один щодо одного. Процедура обробки пакета визначається лише значеннями параметрів, які він несе у собі, та поточним станом мережі . І кожен окремий пакет розглядається мережею як абсолютно незалежна одиниця передачі – дейтаграма.

Ілюстрація дейтаграмного принципу передачі пакетів ### Передача із встановленням логічного з'єднання

Передача із встановленням логічного з'єднання Процедура узгодження двома кінцевими вузлами мережі деяких параметрів процесу обміну пакетами називається встановленням логічного з'єднання. Параметри, про які домовляються два вузли, що взаємодіють, називаються параметрами логічного з'єднання.

Віртуальний канал

Віртуальний канал Єдиний заздалегідь прокладений фіксований маршрут, що з'єднує кінцеві вузли в мережі з комутацією пакетів, називають віртуальним каналом (virtual circuit або virtual channel). Віртуальні канали прокладаються для сталих інформаційних потоків. З метою виділення потоку даних із загального трафіку, кожен пакет цього потоку позначається спеціальним видом ознаки — влучною. Так само як у мережах із встановленням логічних з'єднань, прокладання віртуального каналу починається з відправки із вузла-джерела спеціального пакета – запиту на встановлення з'єднання.

Таблиця комутації у мережах, що використовують віртуальні канали, відрізняється від таблиці комутації у дейтаграмних мережах. Вона містить записи тільки про віртуальні канали, що проходять через комутатор, а не про всі можливі адреси призначення, як це має місце в мережах з дейтаграмним алгоритмом просування.

Порівняння мереж з комутацією каналів та пакетів