.

Глобальные сети - три этапа развития , методы коммутации каналов

Способы коммутации и маршрутизации информации в сети. Глобальные сети в своем развитии прошли три этапа:

I. 60-е годы. Использование существующей телефонной сети.

Две АбС могли взаимодействовать между собой подключаясь к международной телефонной сети (ТС) посредством модема путем набора необходимого телефонного номера

Основные характеристики:

  • Управление взаимодействием осуществлялось программно.
  • Использовался асинхронный режим взаимодействия.
  • Максимальная скорость передачи 800 бит/сек.
  • Достоинство: повсеместная распространенность телефонной сети обеспечивает универсальную доступность для передачи данных.
  • Недостатки: жесткая скорость передачи данных. Если машина требует меньшей скорости передачи, то возможности канала не используются. Если большей - то телефонный канал не мог ее удовлетворить.

 II.70-е годы. Появление сети передачи данных.

 Две АбС взаимодействуют между собой посредством сети передачи данных Подсоединение абонентской системы к сети (рис.10) выполняется через коммутируемую телефонную линию посредством модема (в исключительных случаях - через выделенную линию).

Основные характеристики:

  • Управление взаимодействием осуществляется посредством одной из АсС.
  • Сеть позволяла использовать синхронный режим передачи (в условиях выделенных линий). МАХ скорость передачи 64 Кбит/сек (по выделенным линиям).
  • Узлы предназначены для коммутации и маршрутизации цифровой информации поступающей по выделенным каналам и имеют следующую структуру, представленную
  •  Достоинства: Относительно большая скорость передачи данных.
  •  Недостатки: Отсутствует возможность передавать по одним и тем же каналам данные и речь.

III. 80-е - 90-е годы. Создание сетей общего пользования, отвечающих модели взаимодействия открытых систем (OSI).

 Основные характеристики:

  • Любая ЭВМ подключается к сети передачи через интерфейс (шлюз), обеспечивающей согласование результатных данных. По одной и той же сети могут быть переданы данные и речь.
  • Одной из основных характеристик узла сети передачи данных является коммутация и маршрутизация информации. Сущность ее заключается в выборе Узлом Связи последовательности каналов, по которым следует передать пакеты (блоки, на которые делится массив информации перед передачей). представлен пример коммутации информации. Здесь представлен узел КС, связывающий абонентские системы А (передающие) с абонентскими системами В (получающие).
  • Программному обеспечению узла необходимо решить, в каком порядке и по каким каналам направить эти пакеты абонентам В. Об этом процессе говорят, что в узле происходит коммутация информации. Существует два способа коммутации информации: коммутация каналов и коммутация пакетов.  В первом случае (коммутация каналов) коммутация физического канала осуществляется предварительно один раз согласно схеме При коммутации каналов предварительно путем посылки определенного сигнала устанавливается связь абонента А с абонентом В, который с помощью сигнала обратной связи сообщает о готовности принять сообщение. После этого абонент А начинает передавать данные. Время передачи данных зависит от длины передаваемого сообщения, пропускной способности канала (время передачи данных) и времени распространения сигнала по каналу. В момент передачи ни одна из частей канала не может быть использована другой АбС.
  • Метод коммутации каналов прост, но имеет ряд существенных недостатков:
  • Время организации линии для передачи информации достаточно велико.

Нерациональное использование каналов связи. Во время сеанса между двумя абонентами могут быть большие паузы, однако каналы связи между этими абонентами в период пауз заняты другими не могут быть. Низкая достоверность передачи информации. Это связано с тем, что данные, передаваемые по последовательности каналов, нигде не проверяются. Стремление устранить эти недостатки привело к созданию метода коммутации пакетов. Сущность заключается в том, что здесь каждый пакет имеет адрес назначения и самостоятельно передается через подсеть. При использовании этого метода в узле проверяется адрес пакета и по каждому из них принимается решение по какому очередному каналу его передавать. Здесь ни одна пара абонентов во время сеанса взаимодействия не занимает монопольно ни одного канала.

Метод коммутации пакетов имеет ряд существенных преимуществ:

  • Эффективное использование каналов связи за счет разделения времени работы каналов между различными парами абонентов (мультиплексирование потоков данных). Процесс мультиплексирования данных 
  • Высокая достоверность передаваемой информации. Достигается за счет выполнения проверки каждого пакета всеми узлами сети.
  • Почти мгновенное предоставление возможности передачи информации (не нужно ожидать пока освободятся каналы, образующие путь от Аб-отправителя к Аб-получателю.

Метод коммутации каналов при всех своих недостатках имеет одно преимущество перед коммутацией пакетов. Оно заключается в том, что при монопольном владении каналами все пакеты проходят путь за одно и то же время. При коммутации пакетов из-за пиковых нагрузок в узлах могут возникать некоторые задержки. Учитывая указанное преимущество метода коммутации каналов в настоящее время происходит модернизация метода коммутации пакетов. Его разрабатывают комплексным, обеспечивающим как коммутацию каналов, так и коммутацию пакетов. Такие сети получили название дискретных сетей с интегральным сервисом. Дискретными эти сети называются потому, что по ним передаются дискретные сигналы. Интегральный сервис означает, что каждая такая сеть в будущем заменит практически все сети связи: телефонную, телеграфную, телетайпную и т.д. Сущность модернизированного метода передачи пакетов заключается в том, что любой канал передачи данных коммуникационной подсети может работать в 2-х режимах: монопольном и коллективном. Поэтому первый пакет передаваемой последовательности пакетов должен сообщать всем узлам о том, в каком режиме необходимо передавать остальные пакеты этой последовательности

Коммутация каналов может быть

  • пространственной 
  • временной.

Пространственный коммутатор размера N*M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов - к вертикальным В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N < M, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N. Недостаток рассмотренной схемы - большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N2. Для устранения этого недостатка применяют многоступенные коммутаторы. Например, схема трехступенного коммутатора 6*6 имеет видДостаточным условием отсутствия блокировок входов является равенство k > 2*n-1. Здесь k - число блоков в промежуточном каскаде, n = N/p; p - число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.3 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется выполнить соединение a1-d1, но ранее скоммутированы соединения a2-b2-c4-d3, a3-b3-c1-d2, то для a1 доступны шины b1,с3 и с5, однако они не ведут к d1. В многоступенных коммутаторах существенно уменьшено число переключательных элементов за счет некоторого увеличения задержки. Так, при замене одноступенного коммутатора 1000*1000 трехступенным с n = 22 и k = 43 число переключателей уменьшается с 10 6 до 2*46*22*43+43*46*46, т.е. примерно до 0,186*10 6 .

Временной коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись-чтение". В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация.  Во многих случаях наиболее эффективной оказывается коммутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях коммутации пакетов различают два режима работы:

  • режим виртуальных каналов (другое название - связь с установлением соединения) 
  • дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому маршруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так называемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM - Time Division Method), или задерживаться в промежуточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения - положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осуществляться старт-стопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит подтверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи "в окне". Окно может включать N пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протяжении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером K, то нужна повторная передача и она начинается с пакета K Например, в сетях можно использовать переменный размер окна. Так, в соответствии с рекомендацией документа RFC-793 время ожидания подтверждений вычисляется по формуле T ож = 2*Tср, где Tср := 0,9*Tср + 0,1*Ti, Tср - усредненное значение времени прохода пакета до получателя и обратно, Ti - результат очередного измерения этого времени.

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграммы. Дейтаграмма - часть информации, передаваемая независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле. Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказывается полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения. Первоначальными видами сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений - телевидение, текста - телеграф (телетайп), данных - вычислительные сети. Передача документов (текста) может быть кодовой или факсимильной. Для передачи в единой среде звука, изображений и данных применяют сети, называемые сетями интегрального обслуживания.

Кодовая передача сообщений между накопителями, находящимися в узлах информационной сети, называется телетексом (в отличие от телекса - телетайпной связи), а факсимильная связь называется телефаксом. Виды телетекса: электронная почта (E-mail) - обмен сообщениями между двумя пользователями сети, обмен файлами, "доска объявлений" и телеконференции - широковещательная передача сообщений. Установление соединения между отправителем и получателем с возможностью обмена сообщениями без заметных временных задержек характеризует режим работы on-line ("на линии"). При существенных задержках с запоминанием информации в промежуточных узлах имеем режим off-line ("вне линии"). Связь может быть односторонней (симплексной), с попеременной передачей информации в обоих направлениях (полудуплексной) или одновременной в обоих направлениях (дуплексной). Это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол - это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена. Поскольку информационный обмен - процесс многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.