Лекция 3. Классификация информационных сетей по способам коммутации и способам управления сетью

По способам коммутации различают два вида сетей – с долговременной и оперативной коммутацией.

Долговременной или кроссовой коммутацией называется такой вид коммутации, при котором между двумя точками сети устанавливается постоянное прямое соединение, длительность которого может измеряться большими интервалами времени. Каналы, участвующие в организации такого соединения, называются выделенными. В узлах кроссовой коммутации каналы связи, включенные в узел, соединены между собой постоянно. После окончания очередного сеанса связи соединение не разрушается и, следовательно, перед началом сеанса не устанавливается заново. Другими словами, обмен между двумя пользователями производится постоянно по одному и тому же каналу. Применение кроссовой коммутации целесообразно только в тех случаях, когда требования пользователей исключительно высоки и они не могут быть удовлетворены применением оперативной коммутации. При этом следует учитывать, что с ростом количества абонентов сети число линий и связного оборудования на узлах растут очень быстро, поэтому сеть с кроссовой коммутацией является самой неэкономичной.

Более эффективным способом повышения производительности сети является применение одного из способов оперативной коммутации – коммутации каналов, коммутации сообщений и коммутации пакетов.

Коммутация каналов обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами.

Процесс коммутации канала и передачи данных между абонентами сети можно представить следующей временной диаграммой (рис. 1.2). Абонент a_i инициирует установление связи с абонентом a_j. Узел A, реагируя на адрес абонента a_j проключает соединение, в результате чего линия абонента a_i коммутируется с линией соединяющей узел A с узлом B.

Рисунок 1.2. Коммутация каналов

Затем процедура проключения повторяется с узлами B, C, D, в результате чего между абонентами a_i и a_j коммутируется канал. По окончании коммутации узел D (или абонент a_j ) посылает по скоммутированному каналу сигнал обратной связи, после получения которого абонент a_i начинает передавать данные. Время передачи зависит от длины передаваемого сообщения, скорости передачи данных и времени распространения сигнала по каналу. По окончании передачи одним из абонентов передается сигнал отбоя, в соответствии с которым производится разъединение канала.

Рисунок 1.3. Коммутация сообщений

Сообщение, генерируемое отправителем – абонентом a_i, принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи, ведущий к узлу В.Узел В принимает сообщение, размещает его в памяти узла, а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение в канал, ведущий к следующему узлу. Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последовательно всеми узлами на маршруте от абонента a_i до абонента a_j.

Коммутация пакетов (рис. 1.4) производится путем разбиения сообщения на пакеты, представляющие собой элементы сообщения фиксированной длины, снабженные заголовками, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети, так же как и при коммутации сообщений.

Рисунок 1.4. Коммутация пакетов

В информационных сетях с коммутацией пакетов используются два основных способа передачи данных между абонентами: датаграммный и виртуальный канал.

Виртуальный канал характеризуется тем, что пакеты, образующие одно сообщение, передаются по сети в виде логически связанной последовательной цепочки по одному и тому же маршруту (по виртуальному каналу). Виртуальный канал, сохраняя все преимущества коммутации пакетов в отношении скорости и возможности мультиплексирования потоков, добавляет к ним основное свойство реального канала – сохранять естественную последовательность данных.

Датаграммный способ характеризуется тем, что пакеты, поступая в сеть, передаются ею как независимые объекты. В результате каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокупность пакетов, образующих сообщение, поступает к получателю в любом порядке. Датаграммный способ относительно прост в реализации и обеспечивает минимизацию времени доставки сообщения получателю.

К недостаткам этого способа следует отнести:

1. Возможность нарушения порядка прибытия к получателю пакетов, образующих одно длинное сообщение, в виду независимости их маршрутов в сети, что требует сортировки пакетов в нужной последовательности в месте получения.

2. Возможность различных задержек пакетов многопакетного сообщения из-за перегрузки памяти ЦК.

3. Наличие тупиковых ситуаций, возникающих при условии, что поток поступающих в сеть пакетов превышает допустимый. Перегрузка сети приводит к циркуляции датаграмм, которые не могут быть переданы в оконечный пункт получателя из-за отсутствия свободной памяти в ЦК.

Для исключения указанных недостатков в сети с коммутацией пакетов применяются различные методы резервирования ресурсов, прежде всего памяти в оконечном пункте пользователя и в ЦК. Эти методы основаны на дополнении датаграммного способа виртуальным вызовом, когда перед передачей основной информации источник посылает служебный пакет, запрашивающий ресурсы, на который получает ответный пакет готовности. При получении отказа источник не передает сообщения и тем самым не загружает сеть.

Коммутация каналов применяется, как правило, на аналоговых или односкоростных цифровых сетях связи. На таких сетях осуществляется статическое распределение сетевого ресурса или применяется фиксированная полоса пропускания, выделенная для передачи информации. Достоинством коммутации каналов является малое время доставки сообщения по уже образованному каналу, а также низкие требования к структуре сообщений и их форматам.

Достоинствами способа коммутации сообщений являются:

1. Более эффективное использование пропускной способности каналов связи. При использовании коммутации каналов пропускная способность может использоваться на 20-30%, а при применении метода коммутации сообщений – на 80-85%. Это объясняется возможностью поэтапной передачи, не связанной с ожиданием установления соединения по всему тракту. Кроме того, коммутация сообщений обеспечивает эффективное использование одного канала в интересах различных направлений передачи.

2. Простота реализации многоадресной и циркулярной передачи сообщений.

3. Возможность более простой реализации приоритетной передачи сообщений высокой категории срочности. Накопление сообщений в ЦК позволяет организовать обгон сообщений низкой категории срочности сообщениями более высоких категорий.

4. Обеспечение обмена сообщениями между отправителями и получателями, использующими разнотипную аппаратуру, в частности работающую с различными скоростями передачи.

5. Возможность передачи сообщений по участкам направлений передачи, имеющим каналы с различными скоростями передачи.

Коммутация пакетов является основным способом передачи данных в информационных сетях. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

1. Коммутация каналов требует, чтобы все каналы сети имели одинаковую пропускную способность. Коммутация сообщений и коммутация пакетов позволяют передавать данные по каналам связи с любой пропускной способностью.

2. Представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных, т.е. разделения времени работы канала для одновременной передачи нескольких потоков данных (рис. 1.5).

Рисунок 1.5. Мультиплексирование потоков данных

3. Относительно малая длина пакетов позволяет выделять для их хранения меньшую емкость памяти в центрах коммутации.

4. Пакеты, имея меньшую длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения.

Сравнительная характеристика сетей с различными методами коммутации приведена в табл. 1.2.

По способу управления сетью информационные сети могут быть подразделены на сети с централизованным и децентрализованным управлением.

Централизованный принцип предполагает наличие единых для всей сети центров управления, а именно: центра динамического управления, располагающегося, как правило, на одном из ЦК; центра технической эксплуатации на выделенном процессоре и центра административного управления, представляющего собой сложный вычислительный комплекс большой производительности. В сети с децентрализованным управлением система управления имеет распределенную структуру, включающую аналогичные центры, распределенные по всем уровням сети.

Рассмотренные вопросы исследуются в лабораторной работе №2 «Параметры сетей с оперативной коммутацией» [1. с. 14-21]

Контрольные вопросы к лекции 3

3-1. На какие виды сети разделяются по способам коммутации?

3-2. Какой вид коммутации называется кроссовой?

3-3. Как называются каналы, участвующие в кроссовой коммутации?

3-4. В каких случаях целесообразно применение кроссовой коммутации?

3-5. В чем состоят недостатки кроссовой коммутации?

3-6. Перечислите основные виды оперативной коммутации

3-7. Как образуется канал при коммутации каналов?

3-8. Что называется проключением канала?

3-9. Для чего используется сигнал обратной связи при коммутации каналов?

3-10. От чего зависит время передачи сообщения при коммутации каналов?

3-11. Как осуществляется разъединение канала при использовании коммутации каналов?

3-12. Как осуществляется коммутация сообщений?

3-13. Кем определяется маршрут передачи сообщения при коммутации сообщений?

3-14. Где содержится информация, позволяющая каждому узлу определить направление дальнейшей передачи при коммутации сообщений?

3-15. Где хранится передаваемое сообщение в процессе его передачи при коммутации сообщений?

3-16. Чем пакет отличается от сообщения?

3-17. Какие способы передачи пакетов используются в сетях с коммутацией пакетов?

3-18. Чем характеризуется способ коммутации пакетов, называемый виртуальным каналом?

3-19. Чем характеризуется датаграммный способ коммутации пакетов?

3-20. В чем состоят недостатки датаграммного способа?

3-21. Как устраняются недостатки датаграммного способа?

3-22. При каких условиях оправдано применение коммутации каналов?

3-23. Перечислите достоинства коммутации сообщений

3-24. Чем объясняется более эффективное использование пропускной способности каналов при использовании коммутации сообщений?

3-25. Что обеспечивает возможность приоритетной передачи сообщений при коммутации сообщений?

3-26. Какие требования предъявляются к пропускной способности каналов при коммутации пакетов?

3-27. Что называется мультиплексированием потоков данных при коммутации пакетов?

3-28. Как сказывается использование коммутации пакетов на объеме буферной памяти в узлах коммутации?

3-29. Как сказывается использование коммутации пакетов на достоверности передачи?

3-30. При использовании какого способа коммутации отсутствует прямое электрическое соединение между абонентами?

3-31. При использовании какого способа коммутации отсутствует необходимость наличия в узлах коммутации памяти большого объема?

3-32. При использовании какого способа коммутации обеспечивается возможность обмена в реальном времени?

3-33. На какое время образуется канал при различных способах коммутации?

3-34. Чем обусловлена основная задержка при использовании коммутации каналов?

3-35. Что происходи при перегрузке сети, использующей коммутацию сообщений?

3-36. Какой способ коммутации не допускает преобразования скоростей, кодов, форматов?

3-37. На какие классы подразделяются ИС по способу управления сетью?

3-38. Как реализуется принцип централизованного управления сетью?

3-39. Как реализуется принцип децентрализованного управления сетью?

3-40. В чем состоят недостатки использования принципа централизованного управления сетью?