Отличие коммутации каналов от коммутации пакетов. Глобальные сети - три этапа развития, методы коммутации каналов

Все существующие в настоящее время телекоммуникационные сети для обеспечения требуемых функций могут использовать две разновидности связи - коммутация каналов и (или) пакетов. Что это такое и чем они отличаются друг от друга?

Начнем, пожалуй, с того, как работают сети с коммутацией каналов. Они появились ранее своих аналогов с коммутируемыми пакетами, поэтому, что неудивительно, более просты в реализации. Яркий пример сети, в которой используется коммутация каналов - это телефонная линия связи. Очевидно, что для того, чтобы два абонента могли начать общение, необходимо установить между ними связь. Абонент-инициатор набирает номер, который, фактически, является командой оборудованию находящейся между ними, должным образом соединить две линии - от инициатора и от ответчика (берем пример, когда абоненты обслуживаются одной станцией). Ранее для этого применялись механические щупы на простейших затем, с появлением цифровых решений, реализация изменилась, хотя принцип остался тем же. Коммутация каналов предоставляет абонентам независимую линию, которая остается закрепленной за ними до окончания сеанса связи. Преимущества очевидны: высокая надежность, отсутствие необходимости передачи контрольных пакетов. Однако данный способ соединения с увеличением количества абонентов становится слишком расточительным, так как количество каналов физически ограничено. Даже попытка решить эту проблему применением уплотнений является лишь временной мерой, определенным промежуточным решением. Кроме этого, коммутация каналов обладает одним существенным недостатком - линия связи занята все время, даже если обмена информацией между абонентами нет. К примеру, при телефонном разговоре можно положить трубку рядом с аппаратом и уйти по своим делам - канал останется зарезервированным за ними, пока не поступит сигнал разорвать связь.

Именно поэтому впоследствии на смену коммутированию каналов пришел способ коммутации пакетов. Принцип его работы предполагает кодировку и разбиение передаваемого потока данных на ряд отдельных пакетов, которые по общей линии связи передаются получателю и там объединяются в исходный поток. Чтобы понять различия указанных двух способов, можно воспользоваться аналогией с транспортной линией: при коммутации каналов линия представлена железнодорожной колеей, а поток данных - это состав из множества вагонов. Вполне понятно, что на пути следования задержки встречаются крайне редко, а надежность одна из самых высоких. В то же время, по этой колее одновременно не могут двигаться несколько составов. А вот линий с коммутацией пакетов - это скоростная автотрасса с многополосным движением. Перевозимый груз (передаваемые пакеты) разделяется на несколько машин которые, лавируя в потоке других видов транспорта, достигают места назначения, где происходит сборка изначальной конструкции. В данном примере дорога - это канал связи, а машины представляют собой пакеты данных. Они спокойно сосуществуют на одной дороге, почти не мешая перемещениям друг друга. Исключения - заторы, светофоры и внештатные ситуации (это задержки). Даже если какая-либо машина не прибыла к получателю, ее копия по запросу может быть отправлена повторно. Суммарный объем передаваемой за единицу времени информации при пакетной коммутации существенно выше, чем в случае с каналами.

В целом, коммутация это переключение чего-либо, смена состояний. В сетевой технике она формирует маршрут для прохождения данных. Особенность заключается в способе его организации. Коммутацию не стоит не путать с маршрутизацией, задачей которой является поиск оптимального пути следования.

) подключен с помощью терминального устройства (Т), который отправляет информацию в сеть с одинаковой скорость. Эта скорость равна канала. Если возникают ситуации, когда пользователь передает объемы информации меньшей пропускной способности канала, то Терминальное устройство заполняет пустоту пустыми данными. Это показано на рис.2.

Рисунок 2

О том, что часть информации есть фактично дополнена пустотой знает и Терминальное устройство получателя, который откидывает дополненную информацию.

Установка соединения

Для обмена информацией сначала нужно установить соединение через . Во время установки соединение могут возникнуть Допустим два объекта А и В хотят обменяться данными (см.рис.1). Для начала нужно отправить запрос в коммутационную сеть, где объект указывает адрес объекта В. Задачей посылки запроса — сделать соединение между объектами информационным каналом, характеристики которого похожи на непрерывной связи, то есть на всем протяжении времени установленного соединения данные передаются с одинаковой скоростью и объемом. Это значит, что в транзитных коммутаторах нету нужды буферизировать информацию объектов.

Для создания соединения запрос должен пройти через чреду коммутаторов, которые лежат на канале от А к В, и убедится что все отрезки пути в данный момент свободны.

Отказ в установлении соединения

Единственным положительным моментом такого соединения, это то что уровень задержки минимальный и передавать реального времени /(голос, видео) будет очень удобным.
Негативные моменты, это то что каждая физическая линия всегда передает данные с одинаковой скоростью что есть неэффективно. Да и использование ресурсов также не эффективно как показано на рис.1. Решение проблем коммутации каналов есть мультиплексирование.

Коммутация пакетов

Алгоритм коммутации пакетов была специально сделана для эффективного обмена компьютерного трафика. Когда объект передает коммутированные пакеты, то данные разбиваются в начальном узле на небольшие части, которые называются кадры. Каждому пакету дается заголовок , в котором пишется адрес доставки. На рис.3 показано разбиение потока данных на пакеты. Еще одним дополнительным полем которое добавляется в конец пакета это концевик . Туда помещается контрольная сумма , которая разрешает проверить, была ли изменена информация при передачи или нет.

Рисунок 3

Пакеты попадает в сеть без предварительного резервирования каналов сети и не с заданной наперед скоростью , как это реализовано в сетях с коммутацией. А передается в темпе котором генерирует источник. Предполагается, что сеть с коммутацией пакетов всегда готова принять пакет от объекта в отличии сети с коммутацией каналов.

Схема резервирования пропускной характеристики может применяться и в пакетных сетях. Но, основная идея такого резервирования в корне отличатеся от идеи резервирования пропускной характеристики в сетях с коммутацией каналов. Разница в том, что пропускная характеристика канала сети с коммутацией пакетов может динамически меняться между информационными линиями связи в зависимости от текущих задач каждого канала, чего не может реализовать техника коммутации каналов.

Коммутация каналов

При коммутации каналов такая сеть реализует между конечными узлами постоянный цельный физических канал из последовательных соединенных промежуточных участков с помощью коммутатора. Главным условием такого канала, является одинаковая скорость передачи данных на каждом из участков. Равенство определяет то, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать транспортируемые данные. На рис.4 видна сеть работающая по технологии коммутации каналов. Для того, что бы узел 1 мог передать данные узлу 7, сначала должен поступить специальных запрос на реализацию соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен обозначить маршрут составного канала, а потом передать запрос следующему коммутатору, на рис. это коммутатор Е. Затем коммутатор Е передает коммутатору F запрос, а тот уже передает его узлу 7. Узел 7 принимает запрос на установку соединения, и потом он уже по назначенному маршруту отвечает изначальному узлу.

Рисунок — 4

Плюсы коммутации каналов:

• Известная и постоянная скорость передачи информации по установленному каналу
• Постоянный и низкий уровень задержки транспортировки информации через сеть

Недостатки коммутации каналов:

• Нерациональная реализация пропускной способности физических каналов. Передача информации может быть неравномерная, и выделенный канал может простаивать
• Обязательная задержка перед транспортировкой информации из-за установки соединения

Плюсы и минусы любой сетевой технологии относительны, так как в разных ситуациях плюсы могут выступать минусами и наоборот.

Рисунок — 5

Сравнение способов коммутации:

Динамическая и постоянная коммутация

Сети с динамической коммутацией:

• разрешается реализовывать соединение по инициативе пользователя этой сети
• коммутация реализуется только на период сеанса связи, а потом по инициативе пользователя разрывается
• Пользователь может реализовывать соединение с любым пользователем сети
• Время установки соединения между парой пользователей может быть от пары секунд до нескольких часов и завершается после завершение работы — передачи файлов и тд

Примеры таких сетей это , локальные сети или TCP/IP.

Сети с постоянной коммутации:

• Дает возможность паре пользователей заказать соединение на большой период времени
• Соединение создается специальным персоналом, которые обслуживают сеть, а не пользователями
• Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов называют сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов

Самые популярные сети в постоянной коммутации являются SDH.

Тема 3.3: Прикладные программы для создания Веб-сайтов

Тема 3.4: Применение Интернет в экономике и защита информации

Глобальные сети

3.2. Сетевые технологии. Глобальные сети и технологии глобальных сетей

3.2.1. Глобальные сети с коммутацией каналов и пакетов

Глобальные сети Wide Area Networks (WAN), которые относятся к территориальными компьютерными сетями, предназначены, как и локальные сети для предоставления услуг, но значительно большему количеству пользователей, находящихся на большой территории.

Методы коммутации

В глобальных сетях существует три принципиально различные схемы коммутации:

• коммутация каналов;
• коммутация сообщений
• коммутация пакетов;

Коммутация каналов в глобальных сетях – процесс, который по запросу осуществляет соединение двух или более станций данных и обеспечивает монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока не произойдет разъединение. Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой – коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети.

Коммутация сообщений в глобальных сетях – процесс пересылки данных, включающий прием, хранение, выбор исходного направления и дальнейшую передачу сообщений без нарушения их целостности. Используются в тех случаях, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. Сообщения передаются между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией их на дисках каждого компьютера. Сообщениями называются данные, объединенные смысловым содержанием, имеющие определенную структуру и пригодные для обработки, пересылки или использования.

Источниками сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений – телевидение, текста – телеграф (телетайп), данных – вычислительные сети. Установление соединения между отправителем и получателем с возможностью обмена сообщениями без заметных временных задержек характеризует режим работы online. При существенных задержках с запоминанием информации в промежуточных узлах имеем режим offline.

Коммутация пакетов в глобальных сетях – это коммутация сообщений, представляемых в виде адресуемых пакетов, когда канал передачи данных занят только во время передачи пакета и по ее завершению освобождается для передачи других пакетов. Коммутаторы сети, в роли которых выступают шлюзы и маршрутизаторы, принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге станции назначения.

В глобальных сетях для передачи информации применяются следующие виды коммутации:

• коммутация каналов (используется при передаче аудиоинформации по обычным телефонным линиям связи;
• коммутация сообщений (применяется в основном для передачи электронной почты, в телеконференциях, электронных новостях);
• коммутация пакетов (для передачи данных, в настоящее время используется также для передачи аудио - и видеоинформации).

Достоинством сетей коммутации каналов является простота реализации (образование непрерывного составного физического канала), а недостатком - низкий коэффициент использования каналов, высокая стоимость передачи данных, повышенное время ожидания других пользователей.

При коммутации сообщений передача данных (сообщения) осуществляется после освобождения канала, пока оно не дойдет до адресата.

Каждый сервер производит прием, проверку, сборку, маршрутизацию и передачу сообщения. К достоинствам можно отнести - уменьшение стоимости передачи данных. Недостатком данного способа является низкая скорость передачи информации, невозможность ведения диалога между пользователями.

Пакетная коммутация подразумевает обмен небольшими пакетами (часть сообщения) фиксированной структуры, которые не дают возможности образования очередей в узлах коммутации. Достоинства: быстрое соединение, надежность, эффективность использования сети.

В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал, образуемый коммутаторами сети по запросу одного из абонентов, при данном методе коммутации перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, например потоки данных, создаваемые разговаривающими по телефону собеседниками, но не могут перераспределять пропускную способность магистральных каналов между потоками абонентских каналов динамически.

Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети несколькими абонентскими каналами используются две технологии: технология частотного разделения канала (FDM) и технология разделения канала во времени (TDM).

Частотное разделение характерно для аналоговой модуляции сигналов, а временное – для цифрового кодирования. Технология частотного разделения канала -FDM была разработана для телефонных сетей, но применяется и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения и компьютерных сетей. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая технология, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных - это технология разделения канала во времени (TDM).

Коммутация пакетов.

Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.

При методе коммутации пакетов все передаваемые пользователями сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором обязательно указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения и другая служебная информация. Коммутаторы глобальной сети принимают пакеты 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, если выходной порт коммутатора в момент принятия данного пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору.

Сети с коммутацией каналов эффективно работают в том отношении, что объем передаваемых данных от всех абонентов сети в единицу времени больше, чем при использовании сети с коммутацией каналов. Однако для каждой пары абонентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с коммутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

Размеры пакетов существенно влияют на производительность сети. Обычно пакеты в сетях имеют размер в 1 – 4 Кбайт.

Сети с коммутацией пакетов могут работать в одном из двух режимов : дейтаграммном режиме или режиме виртуальных каналов .

При дейтаграммном режиме передачи пакетов предполагается независимая маршрутизация каждого пакета. При этом коммутатор может изменить маршрут какого - либо пакета в зависимости от состояния сети. Дейтаграммный метод не требует предварительного установления соединения и поэтому работает без задержки перед передачей данных.

Режим виртуальных каналов предполагает передачу пакетов по заранее определенному пути – по виртуальному каналу. В этом случае перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен виртуальный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий эти узлы. Время затраченное на установление виртуального канала компенсируется последующей быстрой передачей всего потока пакетов. Виртуальный канал может быть динамическим и постоянным .

Динамический виртуальный канал устанавливается на один сеанс связи, для этого передается в сеть специальный служебный пакет – запрос на установление соединения. Этот пакет проходя через устройства сети «прокладывает» виртуальный канал, по которому будут передаваться эти пакеты. Постоянные виртуальные каналы создаются администратором сети путем ручной настройки коммутаторов.

Circuit switching and packet - it"s methods for solving the generalized problem of switching data in any network technology. Complex technical solutions of the generalized switching tasks in its entirety consists of the particular problems of data transmission networks.

By the special problems of data networks include:

• define flows and appropriate routes;
• fixation route configuration parameters, and tables of network devices;
• recognition flows and data transfer between one device interface;
• multiplexing / demultiplexing streams;
• separation medium.

Among the many possible approaches to the solution of the generalized problem of subscribers switching networks allocate two basic, which include channel switching and packet switching. Thus there are traditional applications of each switching techniques, for example, telephone networks continue to be built and constructed using circuit switched technology, computer networks and the vast majority are based on packet switching technique.

Therefore, as information flow in circuit-switched networks are the data exchanged between a pair of subscribers. Accordingly, the global flow feature is a pair of addresses (telephone numbers) subscribers communicate with each other. One feature of circuit-switched networks is the concept of an elementary channel.

Elementary channel

Elemental channel (or channel) - is a basic technical characteristics of the circuit switched network, which is fixed within a given type of network throughput value. Every link in the circuit switched network has a capacity of a multiple channel elementary adopted for this type of network.

In traditional telephone systems the value of the elementary channel speed is equal to 64 kbit / s, which is sufficient for high-quality digital voice.

For high-quality voice uses the frequency of sound vibrations amplitude quantization 8000 Hz (sampling time 125 ms intervals). To represent a measure of the amplitude is most often used 8-bit code, which makes 256 tone gradation (by sampling values).

In this case, the transmission of one voice channel is needed bandwidth 64 kbit / s:

8000 x 8 = 64000 bits / s or 64 kbit / s.

Such a voice channel is called an elementary channel digital telephone networks. A feature of the circuit switched network is that the bandwidth of each link must be equal to an integer number of elementary channels.

The composite channel

Communication constructed by switching (connection) of elementary channels, called a composite channel.

Составной канал

The properties of the composite channel:

• composite channel throughout its length is made up of the same number of elementary channels;
• composite channel has a constant and fixed bandwidth throughout its length;
• composite channel is created temporarily for the period of the session two subscribers;
• at the session, all the basic channels that are included in the composite channel, enter the exclusive use of subscribers, for which the composite channel has been created;
• during the communication session in the subscribers can send network data rate not exceeding a channel capacity of the composite;
• data received in a composite channel, the called subscriber is guaranteed to be delivered without delay, losses, and at the same rate (source rate) regardless of whether there is at this time in the other network connection or not;
• after the end of the session the basic channels that were included with the corresponding composite channel, declared free and returned to the pool of resources allocated for use by other users.

Connection refused

Connection refused

Connection requests are not always successful.

If the path between the calling and called subscribers are no free channels or called basic node is busy, the malfunction occurs in the connection setup.

The advantage of circuit switching

Circuit switching technology is aimed at minimizing the accidental events in the network, ie a technology. In order to avoid any possible uncertainty much of the work on information exchange is carried out in advance, even before the start the data transfer. First, for a given address, the availability of the required basic channels all the way from the sender to the recipient. But in the case of bursty, this approach is inefficient, since 80% of the time channel may be idle.

Packet Switching

The most important principle of the networks with a packet switched data submission is transmitted over the network in the form of structurally separated from each other pieces of data called packets. Each packet has a header, which contains the destination address, and other supporting information (length of the data field, a checksum, and others.), Used for the delivery to the addressee of the package.

Having address in each packet is one of the most important features of packet switching technology, since each packet can be processed independently of the other switch packets constituting the network traffic. In addition to the title in the package may have one additional field to be placed at the end of the package and so-called trailer. In the trailer is usually placed checksum, which allows you to check whether the information has been corrupted during transmission over the network or not.

Partitioning the data into packets

Partitioning the data into packets takes place in several stages. Chain sender node generates transmission data, which is divided into equal parts. After that occurs the formation of a package by adding the header overhead. And the last stage is assembled packets into the original message to the destination node.

Partitioning the data into packets

Transferring data over a network as a packet

Packet Transmission Network

As in the circuit switched networks, packet switched networks, for each of the streams is determined manually or automatically route fixed in the stored tables for commutation switches. Packets entering the switch are processed and sent on a particular route

Uncertainty and asynchronous movement of data in packet-switched networks makes special demands on the switches in such networks.

The main difference between a packet switch of the switches in the circuit-switched networks is that they have an internal buffer memory for temporarily storing packets. Switch buffers need to harmonize data rates in communication links connected to its interfaces, as well as to harmonize the rate of arrival packets with their switching speed.

Methods of transfer packages

A switch can operate on the basis of one of three methods promote packages:

• datagram transmission;
• Transfer to the establishment of a logical connection;
• Transfer to the establishment of a virtual channel.

Datagram transmission

Datagram transfer method based on the promotion of packet independent from each other. packet processing procedure is only determined by the values of parameters that it carries, and the current state of the network. And every single packet network is considered as a completely independent unit transfer - datagram.

Illustration datagram packet principle

Transfer to the establishment of a logical connection

Transfer to the establishment of a logical connection

Procedure for harmonization of the two end nodes of a network of some parameters of packet exchange process is called the establishment of a logical connection. Options negotiated by the two interacting nodes, called a logical connection parameters.

Virtual channel

Virtual channel

The only pre-padded fixed route connecting end nodes to the packet-switched network, referred to as a virtual channel (virtual circuit or virtual channel). Virtual channels are laid for sustainable information flow. In order to isolate the data flow of the total traffic flow of each packet is marked with a special kind of sign - label. As with the establishment of a logical network connections, the virtual channel begins with a gasket from the source node a special package - the connection request.

Table switching networks using virtual channels is different from the switching table in datagram networks. It contains entries only passing through the switch virtual channels, and not all the possible destination address, as is the case in networks with datagram algorithm transfer.

Comparison circuit-switched and packet