Метод коммутации каналов

План Введение

1. Коммутация

1.1 Определение понятия коммутация, коммутатор

2. Подходы к выполнению коммутаций

3. Коммутация каналов

3.1 Описание метода коммутации каналов

4. Виды коммутации каналов Заключение Введение С развитием информационных технологий во второй половине ХХ века, потребовался процесс, который мог бы соединять абонентов сети между собой.

Так как, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которую они могли бы использовать в любое время, то был разработан такой метод коммутации в сети, при которой между двумя узлами сети должно быть установлено соединение (канал), прежде чем они начнут обмен информацией. Это соединение на протяжении всего сеанса обмена информацией может использоваться только указанными двумя узлами.

Такой метод получил название — метод коммутации каналов.

В данной работе метод коммутации каналов будет описан и детально разобран.

1. Коммутация

1.1 Определение понятия коммутация, коммутатор Коммутация — процесс соединения 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. Как правило, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время. Поэтому в сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает разделение имеющихся физических каналов между несколькими сеансами связи и между абонентами сети.

Каждый абонент соединен с коммутаторами индивидуальной линией связи, закрепленной за этим абонентом. Линии связи, протянутые между коммутаторами, разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность коммутаторов обусловлена, прежде всего, тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей:

Коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети.

Впервые коммутаторы появились в конце 1980;х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то, что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин коммутация применяется для четырех различных технологий:

Конфигурационная коммутация, Коммутация кадров, Коммутация ячеек, Преобразование между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

При коммутации кадров используются кадры сетей Ethernet, Token Ring и т. д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредственно получателю.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т. д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

По типу коммутации выделяют несколько видов коммутаторов:

Пространственные коммутаторы. За счет применения нескольких коммутационных блоков (координатных коммутаторов) и организации их в каскады число необходимых координатных переключателей можно уменьшить. Такие коммутаторы используют пространственный принцип организации.

Наверно, каждый из нас сталкивался с тем, что сигнал «занято» звучит еще до того, как номер был полностью набран. Это вызвано тем, что коммутатор, к которому абонентская линия подключается, является блокирующим, т. е. он не способен обслужить N вызовов одновременно, а максимум k?(N/n) вызовов (данная величина представляет собой произведение количества коммутационных блоков во втором каскаде на число входов (выходов) в каждом из них). Число обслуживаемых вызовов можно увеличить за счет добавления коммутационных блоков во втором каскаде, но при этом число используемых координатных переключателей также возрастет. Таким образом, при разработке пространственных коммутаторов приходится соблюдать баланс между числом переключателей (и, как следствие, его ценой) и числом обслуживаемых вызовов.

Временные коммутаторы основываются на иных принципах, нежели пространственные коммутаторы. При временной коммутации сигналы с n входных линий считываются по очереди, и из них составляется кадр, состоящий из n квантов времени. Основой временного коммутатора является так называемый обменник. На входе он принимает один кадр, а на выходе выдает другой, в котором кванты времени упорядочены уже иным образом. По существу, коммутатор передает байт, например с входной линии 0 на выходную линию 4 и т. д. Принципиально он осуществляет коммутацию каналов, хотя никаких физических соединений при этом не устанавливается!

2. Подходы к выполнению коммутаций В общем случае решение каждой из частных задач коммутации — определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи — тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

коммутация каналов (circuit switching);

коммутация пакетов (packet switching).

Внешне обе эти схемы соответствуют приведенной на рис. 1 структуре сети, однако возможности и свойства их различны.

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.

Рис. 1. Общая структура сети с коммутацией абонентов.

3. Коммутация каналов

3.1 Описание метода коммутации каналов Несмотря на то, что коммутация каналов заметно старше коммутации пакетов, она актуальна до сих пор. Этот принцип использовался еще в самых первых телефонных сетях. Сейчас чаще всего канальная коммутация применяется для построения высокоскоростных магистральных каналов. На заре времен коммутация каналов решала задачу, которая перед нею ставилась телефонными сетями, а точнее — связь абонентов между собой, фактически соединение «точка-точка». В такой сети поток данных получает заранее прописанный администратором маршрут, либо этот маршрут просчитывается динамически.

Чтобы было понятнее, представим участок железной дороги между городами, А и Б. Переключим стрелки на этом участке таким образом, чтобы путь между городами оказался непрерывным, то есть получилось соединение точка, А — точка Б. Таким образом, мы строим канал между городами A и Б. Такой канал называется составным, поскольку состоит из нескольких простых (элементарных) каналов (неразрывные куски между железнодорожными стрелками).

Составной канал на всем своем протяжении сохраняет несколько характерных черт. Во-первых, он имеет постоянную пропускную способность. Одновременно с этим часто бывает так, что пропускная способность в каждом из направлений канала разная. Так, из точки, А в Б мы можем иметь 8 Мбит/с, к примеру, а из Б в, А всего лишь 2 Мбит/с. Такая ситуация довольно часто встречается в спутниковых каналах, когда каждый килобит в секунду имеет вполне конкретную увесистую цену, при этом априори известно, что загрузка в разных направлениях не будет одинаковой.

Во-вторых, составной канал обычно создается временно. После передачи данных он разбирается, как в случае с установлением звонков по классической телефонной сети — вы положили трубку, и телефонная станция оборвала ваше соединение. Также существуют составные каналы, когда каждый простой канал в определенный момент времени используется для определенного составного канала. Это называется временным мультиплексированием (TDM, о нем расскажем позже).

В-третьих, элементарные каналы могут быть использованы в совершенно разных составных каналах в разное время. Более того, несколько элементарных каналов одного направления могут быть объединены в один канал для получения составного канала нужной полосы пропускания. Получается, что любой канал имеет свою пропускную способность. Так повелось, что минимальный квант полосы канала это 64 кбит/с. Данный поток оказывается необходимым и достаточным для передачи несжатого голоса с частотой дискретизации 8000 Гц. Это значение было получено в шестидесятые годы, когда по телефонным сетям начали передавать оцифрованный голос. При дискретизации в 8 кГц и кодировании каждого кванта звука при помощи одного байта (256 градаций) имеем как раз 8000×8 бит, то есть 64 кбит/с.

При коммутации каналов возможна ситуация, когда на каком-то участке мы исчерпали все возможные ресурсы, и свободных элементарных каналов попросту не осталось. Создать какой-то новый канал, проходящий по этому участку, не удастся. В итоге получим простой других участков сети. Для исключения подобных ситуаций созданы системы управления, которые пытаются оптимально прокладывать каналы, а также арбитры, которые разрешают ситуации с заторами.

Другой случай неоптимального использования собранного канала — минимальная или пульсирующая нагрузка (последняя, например, возникает при веб-серфинге, работе с базами данных, с e-mail и пр.).

Получается, что при передаче голоса, когда соединение установлено и идет двусторонний обмен информацией, полоса используется эффективно. В случае компьютерного трафика, когда полосу загружают разные приложения, генерирующие пульсирующий, а порой и взрывной трафик, говорить об эффективности использования полосы невозможно. Для решения задачи оптимального использования ресурсов в сетях с неоднородным трафиком и была разработана коммутация пакетов.

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

Техника коммутации каналов имеет свои достоинства и недостатки.

Достоинства коммутации каналов:

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.

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.

Недостатки коммутации каналов:

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» .

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, пока соединение 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 пакетов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.

Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Вместе с этим коммутация каналов при всех своих недостатках имеет одно преимущество перед коммутацией пакетов. Оно заключается в том, что при монопольном использовании каналов все пакеты проходят через (сквозь) коммуникационную подсеть за одно и то же время. При коммутации пакетов из-за пиковых нагрузок в узлах могут возникать некоторые задержки. Поэтому пакеты проходят через подсеть за разное время, например один пройдет за 0 45 с, а второй — за 0 47 с. Поэтому метод коммутации каналов может конкурировать с методом коммутации пакетов лишь в тех случаях, когда должно быть гарантировано строго определенное время (до долей секунд) прохода пакетов через коммуникационную подсеть. Поэтому в небольшом числе случаев, когда передаются большие массивы информации либо нужно строго одинаковое время доставки пакетов, целесообразно использовать дорогостоящий и менее надежный метод коммутации каналов.

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.

Таким образом, метод коммутации каналов обеспечивает такое соединение последовательности каналов, которое позволяет образовать линию передачи от отправителя к получателю. Эта линия предоставляется паре машин на весь сеанс и ни одна из частей (каналов), линии не может в это время использоваться другими машинами.

коммутация канал абонент сеть

4. Виды коммутации каналов Рассчитанные на передачу телефонных разговоров базовые каналы цифровых телефонных сетей имеют пропускную способность 64 кбит/с. Однако если мы хотим построить сеть интегрального обслуживания (т. е. сеть, передающую и другие виды информации, например данные телеметрии и видео), то использование таких каналов неэффективно. В случае телеметрии пропускная способность оказывается чрезмерной, а в случае видео — недостаточной. В принципе, мы могли бы отвести под видео несколько каналов на 64 кбит/с, но при этом информация по прибытию к получателю может оказаться рассогласованной из-за того, что каналы коммутируются каждый в отдельности.

Многоскоростная коммутация каналов — МКК (Miltirate Circuit Switching, MCS) является более гибкой технологией благодаря наличию нескольких базовых цифровых каналов с различными скоростями (кадр делится на несколько временных интервалов различной длины). Базовые каналы могут быть объединены в группу, но при этом мы по-прежнему стоим перед проблемой синхронизации, хотя за счет выбора соответствующего базового канала можно минизировать число необходимых каналов для того или иного вида сервиса и тем самым упростить задачу синхронизации.

В случае МКК системы коммутации представляют собой набор коммутаторов, каждый из которых занимается коммутацией каналов с определенной скоростью. Например, приходящая по высокоскоростной абонентской линии информация демультиплексируется и поступает на различные коммутаторы. И наоборот, полученная от коммутаторов информация мультиплексируется и передается по абонентской линии.

Многоскоростной коммутации каналов свойственен, например, тот недостаток, что если все каналы определенной емкости заняты, то использующая их служба не может задействовать свободные каналы другой емкости. Кроме того, как и при обычной коммутации каналов, пропускная способность в случае пакетного трафика используется неэффективно из-за его неравномерного по времени характера.

Повысить эффективность использования сетевых ресурсов в случае пакетного трафика позволяет быстрая коммутация каналов (Fast Circuit Switching, FCS). При быстрой коммутации каналов соединение устанавливается не на все время сеанса связи, а только на время передачи конкретного фрагмента речи. Однако реализация такой технологии невозможна без сложной и быстрой системы сигнализации для установления соединений между конечными точками за очень короткий промежуток времени.

В силу указанных причин ни многоскоростная, ни быстрая коммутация каналов не получили широкого распространения.

Заключение

Подводя итог можно сказать, что метод коммутации каналов хоть и появился намного раньше всех остальных методов, морально он не устарел и остается актуальным наше время.

Этот метод хоть и является более дорогим и менее надежным, чем метод коммутации пакетов, но при определенных условия (передача больших массивов информации или требование строго одинаковому время доставки пакетов) выбирают именно данный метод.

Наверное, в этом и заключается вся уникальность метода коммутации каналов, появившись намного раньше всех остальных методов передачи данных, он продолжает быть актуальным и в наши дни.