Способы коммутации и передачи данных

Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования вычислительных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также сокращение затрат на передачу данных.

Важнейшая характеристика сетей передачи данных – время доставки информации зависит:

· от структуры сети передачи данных;

· пропускной способности линий связи;

· от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети;

· способа передачи данных по этим каналам.

В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме “on-line”. В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечивается высокая степень готовности системы передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

Коммутация – процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы. Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным.

Компьютер может совмещать функции по коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций как конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть, к которой подключаются все остальные (см. рис.44).

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом для которых является режим “off-line”) принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов.

Рис. 44 Коммутационная сеть

Коммутация каналов. Коммутационная сеть в случае коммутации каналов образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизировать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Если сеть работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего 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. Далее 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.

Коммутация сообщений. Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что удорожает сеть.

Коммутация пакетов. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. (Сообщением называется логически завершенная порция данных – запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт.

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.

Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, когда выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору.

Архитектура сети

Архитектура сети определяет технологию передачи данных в сети. Наиболее распространены следующие архитектуры:

· Ethernet – пакетная технология, преимущественно локальных сетей;

· Token Ring – маркерное кольцо;

· ArcNet – маркер шины (принцип работы сети аналогичен TokenRing);

· FDDI – волоконно-оптический распределенный механизм передачи данных технология ориентирована на волоконную оптику. Поддерживает сеть с передачей маркера.

В таблице 8представлены сравнительные характеристики наиболее распространенных технологий ЛВС.

Таблица 8

Рассмотрим две наиболее распространенные архитектуры Ethernet и TokenRing.

Ethernet

Появилась данная технология во второй половине 70-х годов 20 века. Ее разработали совместно фирмы DEC, Intel и Xerox. В настоящее время эта технология наиболее доступна и популярна.

· Топология – шина, звезда.

· Среда передачи данных – коаксиал, витая пара, оптическое волокно.

· Скорость передачи данных – до 10 Мбит/с.

· Длина кабельного сегмента сети – не более 100 м до концентратора.

Принцип работы сети Ethernet:

1. Никому не разрешается посылать сообщение в то время, когда этим занят уже кто-то другой.

2. Если два или несколько отправителей начинают посылать сообщения примерно в один и тот же момент. Рано или поздно их сообщения «столкнуться» друг с другом в проводе, что называется коллизией. Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сообщение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу, подождать некоторое время, прежде, чем повторно отправить сообщение. Передаваемые данные помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Из описания метода передачи данных видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, т.е. интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров.

Достоинства Ethernet:

· Дешевизна.

· Большой опыт использования.

· Продолжающиеся нововведения (FastEthernet, передает данные со скоростью 100 Мбит/с, GigabitEthernet, передает данные со скоростью 1000 Мбит/с).

· Богатство выбора. Многие изготовители предлагают аппаратуру построения сетей, базирующуюся на Ethernet.

Недостатки Ethernet:

· Возможность столкновения сообщений (коллизии, помехи).

· В случае большой загрузки сети время передачи сообщений непредсказуемо.