Канальный сообщение. Передача информации

Проверка доступности среды передачи.

Реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в фреймы (frames), обеспечивается корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму.

Управление параметрами связи (скорость, повтор)

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена структура связей и способы их адресации только для сети с определенной топологией. К топологиям относятся шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В глобальных сетях, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка - точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B.

Протоколы: IEEE 802.1 (описываются устройства (коммутаторы, мосты))

Делится на LLC – 802.2 и на МАС (CSMA /CD) – 802.3,

МАС (Token Ring) – 802.5,

МАС (Ethernet) – 802.4

Структура кадра Ethernet: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

1) Приамбула (начало передачи кадра – 8 байт)

2) Адрес получателя (2-6 байт МАС-адрес получателя, 2 байта для кольца)

3) Адрес отправителя (2- 6)

4) Длина поля данных (2 байта)

5) Поле данных (64 – 1500 байт)

6) Контрольная сумма

Протокол LLC: 1- LLC 802.2

2- LLC 802.2 SNAP

DSAP –указывает протокол получателя

SSAP – указыв. протокол отправителя

Control – т для управления соединением

Тип семейства – (IPX /SPX, X.25, ATM, TCP/IP=0)

Тип протокола - 0×0800 – IP, 0×0806 - ARP

МАС –адрес (48 бит): определяется 3 типа: индивидуальный, широковещательный, групповой

|0|0|22бита|24бита|

00 –ндивидуальный адрес, 11 – широковещательный, 10 – групповой.

22 бита – код организации производителя

24 бита – код сетевого адаптера

23. КАНАЛЫ Т1/Е1.

Каналы Т1/Е1 Выделенные каналы Т1/Е1 стали в последние годы очень популярны в качестве средства для подключения корпоративных сетей и серверов к сети Internet. Это объясняется высокими скоростями данных каналов: 1,544 Мбит/с в канале Т1 и 2,048 Мбит/с – для El.

Линии Т1 – это дуплексные цифровые каналы, которые были первоначально разработаны для передачи вызовов между телефонными станциями. Физически связь осуществляется по двум парам телефонного витого провода (одна пара- в одну сторону, вторая – в обратную).

AMI В канале применяется биполярное кодирование (bipolar encoding). .Этот метод имеет и другое название –альтернативное инвертирование логических единиц (AMI). Отсутствие напряжения в линии соответствует нулю, а для представления единиц используются по очереди положительные и отрицательные импульсы. Пример такого кодирования в сравнении со стандартным представлением (в виде кода NRZ)

Синхронизаци я.

Длинная последовательность логических нулей может привести к потере синхронизации у приемника. Для борьбы с этим применяется методбиполярной замены 8 нулей – (B8ZS).

Каждая обнаруженная передатчиком группа из 8 нулей заменяется им на некоторое «бессмысленное слово». При приеме из канала выполняется обратное преобразование. Для выделения этой заменяющей комбинации (как признак для начала ее распознавания) используется последовательная передач, без инвертирования двух положительных единиц (что недопустимо в обычной последовательности кода AMI). На рисунке 5.2 представлен пример такой заменяющей комбинации.

Кадровая синхронизация

Канал Е1 состоит из 24 отдельных каналов по 64 Кбит/с в каждом. Применяется разбиение передаваемой информации на кадры. Наибольшее распространение получили методы D4 и ESF (кроме того в линиях ЕЗ часто используется алгоритм Ml3).

Алгоритм D4

Кадр содержит 1 бит синхронизации и 24 байта данных (см. рис.5.3). Таким образом общая длина кадра составляет 193 бита.

Группа из 12 кадров снабжается специальной 12-битовой маской (см. рис), которую называют сигналом выравнивания кадра (frame alignment signal). Группа из 12 кадров называется суперкадром.

Алгоритм ESF Алгоритм формирования суперкадров ESF (Extended SuperFrame) отличается тем, что размер суперкадра был увеличен с 12 до 24 кадров. В таком суперкадре кз 24 служебных бит только 6 используются для целей синхронизации. Из оставшихся 18 бит - 6 служат для коррекции ошибок и 12 -для текущего контроля за состоянием линии.

Алгоритм М13 Предназначен для каналов ТЗ (44,476 Мбит/с). Кадр содержит 4760 бит. Из них 56 бит используются для выравнивания кадра (кадровой синхронизации), коррекции ошибок и отслеживания состояния линии.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Каналы Т1 первоначально предназначались для передачи телефонных разговоров, но по цифровой линии.

По обычному телефону сигнал передается как аналоговый в диапазоне частот от 300 до 3400 гц. Для перевода аналогового сигнала в цифровую форму применяется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - Pulse Code Modulation (PCM). Для этой цели вводится блок АЦП, который переводит амплитуду аналогового сигнала в цифровой отсчет из 8 бит. Частота снятия таких отсчетов была выбрана с учетом теоремы Найквиста (Nyquist). В соответствии с этой теоремой для адекватного преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую частота дискретизации должна в 2 раза превышать частоту дискретизируемого сигнала. Применительно к телефонным каналам была выбрана частота 8000 опросов в секунду. Таким образом цифровая линия должна обладать пропускной способностью 8 х 8000 = 64 Кбит/с.

Мультиплексирование В линии Т1 собираются вместе 24 таких цифровых каналов по 64 Кбит/с. В итоге общая пропускная способность составляет 1,544 Мбит/с. Для объединения применяется временное мультиплексирование каналов – Time Division Multiplexing (TDM). Вся доступная полоса частот делится на элементарные временные интервалы по 125 мкс. Устройство монополизирует всю полосу частот на период такого элементарного интервала.

Благодаря мультиплексированию по линии Т1 можно передавать одновременно звуковые сигналы, цифровые данные и видеосигналы. В случае необходимости вся доступная пропускная способность 1,544 Мбит/с может быть монополизирована одним потоком данных.

Структура системы На рисунке показана возможная структура оконечного устройства для работы по линии Т1. Здесь CSU– модуль обслуживания канала, a DSl – это модуль обслуживания данных.

Дробные линии Т1 Пользователь может арендовать только часть канала Т1. При этом ему предоставляется возможность оплатить любое количество (от 1 до 24) канаов DSO (Digital Sygnal 0) по 64 Кбит/с.

Каналы E1 В Европе 1TU– Международный союз по электросвязи – предложил несколько другую классификацию таких цифровых каналов. Основой является капал Е1, содержащий 30 каналов USO (по 64 Кбит/с) и дополнительно 1 канал для синхронизации и 1 канал для передачи служебной информации. Пропускная способность канала Е1 составляет 2,048 Мбит/с.

Среда передачи Для организации каналов типа Т1 могут использоваться различные среды. Например: две пары витых проводников – позволяют организовать канал Т1; в коаксиальном кабеле могут быть организованы 4 канала Т1; сверхвысокочастотный кабель позволяет разместить 8 линий Т1; оптоволоконный кабель может содержать до 24 линий Т1.

Сети ISDN

Цифровые сети интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network) находят широкое применение в качестве альтернативы подключения посредством каналов Т1/Е1. Разница заключается в основном в способе оплаты. За полный (или часть) канала Т1 взимается фиксированная (достаточно высокая) абонентская плата. В сетях же ISDN оплата взимается только за время подключения.

Технология ISDN позволяет одновременно передавать голосовые и цифровые данные, обеспечивает высокоскоростное подключение к глобальным сетям. Разработана была эта технология для того, чтобы обеспечить интегральные потребности небольшого офиса.

Аналогично каналам Т1 эта технология базируется на использовании цифрового канала 64 Кбит/с. Аналоговые (голосовые) данные предварительно дискретизируются (производится семплирование - sampling) 8000 раз в секунду. Каждый отсчет представляет собой 8 бит информации. То есть используется ИКМ.

В-канал Основным компонентом любой линии ISDN является однонаправленный В-канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. По нему могут передаваться оцифрованные аудио- или видеоданные или собственно цифровые данные.

D-канал Используется для передачи служебной информации. Это, например, сигналы установления и разрыва соединения. Вся же полоса В-канала предназначается только для передачи полезной информации.

Имеются две стандартные для ISDN конфигурации каналов: BRI и PRI/

Интерфейс BRI Это логическое объединение двух В-каналов по 64 Кбит/с и одного D-канала с пропускной способностью 16 Кбит/с. BRI (Basic Rate Interface) -I интерфейс передачи с номинальной скоростью.

Интерфейс BRJ является конфигурацией оптимальной для удаленных пользователей и небольших офисов. Общая его пропускная способность- 128 Кбит/с, а D-канал используется только для передачи служебной информации BRI позволяет подключить до 8 устройств (телефонных, цифровых и видео).

Для обмена по D-каналу используется протокол SS7 (Signalling System Number 7).

Интерфейс PRI PRI (Primary Rate Interface) - интерфейс передачи с базовой скоростью. Этот интерфейс соответствует максимальной скорости передачи по линии Т1. Конфигурация PRI состоит из 23 каналов по 64 Кбит/с (В-каналов) и одного D-канала с пропускной способностью 64 Кбит/с. Следовательно пользователь может вести передачу со скоростью 1,472 Мбит/с.

В европейских линиях ISDN конфигурации PRI соответствует 30 В-каналов (т.к. Е1 содержит именно столько каналов передачи полезной информации).

Подключение пользователя На рисунке 5.5 приведена типичная конфигурация аппаратных средств абонентского комплекса ISDN.

Устройство NT1 (Network Terminator 1) используется для подключения абонента к цифровому каналу.

Устройство NT2 (Network Terminator 2) занимает промежуточный уровень между NT1 и любым терминальным оборудованием. Это могут быть маршрутизаторы сетей ISDN и цифровые офисные АТС.

Терминальным устройством первого типа ТЕ1 (Terminal Equipment 1) считается пользовательское оборудование, которое в состоянии подключаться к устройствам типа NT. Это, например, рабочие станции ISDN, факсимильный аппарат, телефоны ISDN.K терминальным устройствам второго типа ТЕ2 (Terminal Equipment 2) относится все оборудование, которое не может непосредственно подключаться к NT2 (аналоговые телефоны, ПК и т.д.), а требует для этого применения специального терминального адаптера ТА (Terminal Adapter).

Аппаратура Проводка делается скрученным медным проводом (витая пара) UTP класса не менее 3 (она обеспечивает передачу со скоростью до ЮМбит/с). Для интерфейса BR1 требуется одна пара UTP, а для интерфейса PRI - 2 пары UTP.

Устройство NT1 достаточно простое, поэтому его часто интегрируют в терминальное оборудование.

Аппаратура ISDN у пользователя может быть встроенной или автономной. Встроенное устройство может быть и комбинированным, т.е. содержать NT1 и несколько терминальных адаптеров ТА. Внешние терминальные адаптеры внешне выглядят аналогично модему, поэтому их часто называют ISDN-модемами(хотя там нет ни модуляции, ни демодуляции). Очень часто используют еще один тип аппаратуры - маршрутизаторы ISDN - Ethernet. Они выполняют и роль моста между каналом и локальной сетью, т.е. это router-bridge.

Н-каналы ITU выпустил стандарты на Н-каналы ISDN. Они включают пять конфигураций, начиная с НО (включает 6 В-каналов - пропускная способность 384 Кбит/с, предназначен для поддержки видеоконференций) и заканчивая каналом Н4 (включает 2112 D-каналов, пропускная способность - 135 Мбит/с, ориентирован на широковещательную передачу видео- и аудиоданных).

Услуги ISDN ISDN-канал может обеспечивать множество дополнительных услуг, например: конференц-связь; пересылка входящих звонков на другой номер телефона; определение номера вызывающего абонента; организация рабочих групп и т. д.

Сети Frame Relay

Сети, использующие протоколы Х.25, оказались надежными, но недостаточно высокоскоростными. В связи сэтим были предложены модификации, ориентированные на очень высокие скорости передачи – это, в частности, сети Frame Relay и AТМ.

Родоначальником технологии Frame Relay – ретрансляции кадров – была в начале 90-х годов американская компания WILTEL, которая имела обширную сеть оптоволоконных линий, проложенных вдоль железных дорог. Технология Frame Relay в отличие от Х.25 позволила обеспечить скорости передачи, совместимые с каналами Т1 (1,5 Мбит/с) и ТЗ (45 Мбит/с), тогда как у Х.25 это была обычно скорость 64 Кбит/с.

Формат кадра Суть этой технологии заключается в отказе от 3-его(сетевого) уровня Х.25. Ограничиваются использованием 2-го (канального) уровня, где передача ведется кадрами. Видоизменяется только заголовок кадра:

Заголовок кадра Frame Relay содержит:

10-битовое поле DLCI– идентификатора канала передачи данных. Это поле используется маршрутизаторами для нахождения узла назначения, т.е. это информация для ретрансляции кадра.

Из остальных шести бит заголовка:

3 бита выполняют роль флагов перегрузки;

1 бит – позволяет снизить приоритет кадра (называется битом DE);

2 бита – зарезервировано.

Скорость передачи

Скорость передачи согласуется с провайдером в виде трех параметров:

- CIR– согласованная скорость передачи;

Bс – согласованная величина расширения трафика;

Be – предельная величина расширения трафика.

Трафик объемом Be может приниматься сетью только ограниченный промежуток времени.

Передача графика объемом Вс допускается, только если загрузка сети в среднем не превысит согласованного значения CIR.

В случае превышения нагрузки пакет может быть либо отброшен маршрутизатором, или же в нем устанавливается в «1» бит DE (снижения приоритета), а и этом случае такой пакет разрешается при необходимости уничтожить любому следующему но пути следования маршрутизатору.

Типы каналов

Технология Frame Relay может работать на двух типах каналов:

PVC – постоянный виртуальный канал;

SVC– коммутируемый виртуальный канал.

Каналы PVC определяются на этапе конфигурации системы и гарантируют, что пакеты всегда будут доставляться по одному и тому же маршруту. Каналы SVC устанавливаются каждый раз в начале передачи (на этапе установления соединения), что позволяет избегать неисправных участков сети.

Зашита от ошибок

В сети Frame Relay производится проверка правильности кадра (с помощью анализа поля FCS)и, если обнаружены ошибки, кадр стирается. Однако повторная передача таких стертых кадров при этом не запрашивается. Считается, что за сборку сообщения и запрос недоставленных кадров должен отвечать протокол более высокого уровня – транспортный (отвечающий за межконцевую доставку). Таким образом эти сети ориентированы на применение высококачественных оптоволоконных каналов, в которых ошибки достаточно редки, а поэтому низка и вероятность повторных передач пакета.

Сети АТМ

Сети ATM были разработаны в качестве еще одной альтернативы сетям Х.25. Скорость передачи в этой сети находится и диапазоне от 25,5 Мбит/с до 2,488 Гбит/с. В качестве среды передачи могут использоваться различные носители, начиная с неэкранированной витой пары UTР класса 3 вплоть до оптоволоконных каналов.

Эта технология известна также под названием Fast Packet Switching –быстрая коммутация пакетов.

Высокие скорости передачи обеспечиваются за счет:

1. Фиксированного размера кадра – 53 байта

2. Отсутствия каких-либо мер по обеспечению правильности передачи. Эта задача переносится на более высокие протокольные уровни (транспортный).

Технология ATM относится по концепции OSI ко второму (канальному) уровню. Кадры в ATM называются ячейками (cell). Формат такой ячейки показан на левом рисунке.

Заголовок ячейки (5 байт) содержит:

Идентификатор виртуального пути – VPI (Virtual Path Identifier);

Идентификатор виртуального канала – VCI (Virtual Channel Identifier);

Идентификатор типа данных (3 бита);

Поле приоритета потери ячейки (1 бит);

Поле контроля ошибок в заголовке (8 бит) – это сумма по mod 2 байтов заголовка. Протоколы более высокого уровня разрезают свои сообщения на сегменты

по 48 байт и помещаютих в поле информации ячейки.

Технология ATM поддерживает 2 типа каналов (аналогично сетям Frame

PVC – постоянные виртуальные каналы;

SVC– коммутируемые виртуальные каналы.

На канальном уровне ATM выделяются 2 подуровня (см. рис вверху справа): непосредственно уровень ATM и уровень адаптации ATM.

Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer) – AAL – реализует один из

пяти режимов передачи:

AAL1 – характеризуется постоянной скоростью передачи (CBR) и синхронным трафиком. Ориентирован па передачу речи и видеоизображений.

AAL2 – тоже поддерживает синхронную передачу, но использует переменную битовую скорость (VDR). Oн пока, к сожалению, еще не реализован.

AAL3/AAL4 (объединены в единый протокол) – ориентированы на переменную битовую скорость (VBR). Синхронизация не обеспечивается. AAL4 отличается тем, что не требует предварительного установления соединения.

AAL5 – аналогичен AAL3, только содержит меньший объем служебной инфы.

По протоколам AAL1 и AAL2 передаются порции по 48 байт информации (1 байт – служебный). Протоколы AAL3 – AAL5 предполагают передачу блоков (разрезанных на сегменты) размером до 65536 байт.

Рекомендация X.25 описывает три уровня протоколов - физический, уровень звена передачи данных и сетевой. Физический уровень описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса. Те из читателей, которым приходилось например подключать модем к последовательному порту персонального компьютера (интерфейс RS-232/V.24) имеют представление об этом уровне. Второй уровень (LAP/LAPB), с теми или иными модификациями, также достаточно широко представлен сейчас в оборудовании массового спроса: в оборудовании модемов, например, - протоколами группы MNP, отвечающими за защиту от ошибок при передаче информации по каналу связи, а также в локальных сетях на уровне LLC. Второй уровень протоколов отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении "точка-точка", т.е. между соседними узлами сети X.25. Данным протоколом обеспечивается защита от ошибок при передаче между соседними узлами и управление потоком данных (если принимающая сторона не готова принимать данные, она извещает об этом передающую сторону, и та приостанавливает передачу). Кроме того, данный протокол содержит параметры, меняя значения которых, можно получить оптимальный по скорости передачи режим в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передачи). Для реализации всех указанных выше функций в протоколах второго уровня вводится понятие "кадра" ("frame"). Кадром называется порция информации (битов), организованная определенным образом. Начинает кадр флаг, т.е. последовательность битов строго определенного вида, являющаяся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которая в случае двухточечного соединения сводится к адресу "А" или адресу "B". Далее идут поле типа кадра, которое указывает, несет ли кадр в себе информацию, либо является чисто служебным, т.е. например тормозит поток информации, либо извещает передающую сторону о приеме/неприеме предыдущего кадра. В кадре имеется также поле номера кадра. Кадры нумеруются циклически. Это означает, что при достижении определенного порогового значения, нумерация опять начинается с нуля. И наконец заканчивается кадр проверочной последовательностью. Последовательность подсчитывается по определенным правилам при передаче кадра. По этой последовательности на приеме происходит поверка, не произошло ли искажения информации при передаче кадра. При настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии можно менять длину кадра. Чем короче кадр, тем меньше вероятность того, что он будет искажен при передаче. Однако если линия хорошего качества, то лучше работать более длинными информационными кадрами, т.к. уменьшается процент избыточной информации, передаваемой по каналу (флаг, служебные поля кадра). Кроме того, можно менять число кадров которое передающая сторона посылает, не ожидая подтверждения от принимающей стороны.

Этот параметр связан с т.н. "модулем нумерации", т.е. значением порога, достигнув которого нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть равно 8 (для тех каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) либо 128 (для спутниковых каналов например, когда задержка при передаче информации по каналу велика). И наконец, третий уровень протоколов - "сетевой". Этот уровень наиболее интересен в контексте обсуждения сетей X.25, так как именно он определяет в первую очередь специфику этих сетей.

Функционально данный протокол отвечает в первую очередь за маршрутизацию в сети передачи данных X.25, за доведение информации от "точки входа" в сеть до "точки выхода" из нее. На своем уровне протокол третьего уровня также структурирует информацию, т.е. разбивает ее на "порции". На третьем уровне порция информации называется "пакетом" ("packet"). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. В пакете имеется свой модуль нумерации, свои поля адреса, типа пакета, своя контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. В первую очередь это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр. Это поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру

СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

Интернет - это все сети, которые взаимодействуя с помощью протокола IP, образуют "бесшовную" сеть для своих пользователей. В настоящее время в Интернет входят десятки тысяч сетей и их число постоянно увеличивается. В 1980 году на Internet было 200 компьютеров. Число подключенных к сети компьютеров продолжает увеличиваться примерно на 15% в месяц. Масштабы Internet существенно увеличились после подключения к ней коммерческих сетей. Это были такие сети, как America Online, CompuServe, Prodigy, Delphi, GEuie, BIX и т.д..

Управление Интернет Направление развития Internet определяет "Общество Internet" (ISOC -Internet Society). Это организация, которая работает на общественных началах; ее целью является содействие глобальному информационному обмену через Internet. Она назначает Совет старейшин, который отвечает за техническое Руководство и ориентацию Internet.

Совет старейшин IAB - (Internet Architecture Board - совет по архитектуре Internet) регулярно собирается для утверждения стандартов и распределения Ресурсов. Наличие стандартов должно способствовать объединению в сети компьютеров разных платформ (Sun, Macintosh, IBM и т.д.). Каждый компьютер в сети имеет свой уникальный 32-разрядный адрес. Правила присвоения адресов определяет IAB.

Имеется еще один общественный орган - Инженерная комиссия IETF (Internet Engineering Task Force). Она собирается регулярно для обсуждения технических и организационных вопросов, а при необходимости формирует рабочие группы.

Передача информации - термин, объединяющий множество физических процессов перемещения информации в пространстве. В любом из этих процессов задействованы такие компоненты, как источник и приемник данных, физический носитель информации и канал (среда) ее передачи.

Процесс передачи информации

Исходными вместилищами данных являются различные сообщения, передаваемые от их источников к приёмникам. Между ними и расположены каналы передачи информации. Специальные технические устройства-преобразователи (кодеры) формируют на основе содержания сообщений физические носители данных - сигналы. Последние подвергаются целому ряду преобразований, включая кодирование, сжатие, модуляцию, а затем направляются в линии связи. Пройдя через них, сигналы проходят обратные преобразования, включая демодуляцию, распаковывание и декодирование, в результате чего из них выделяются исходные сообщения, воспринимаемые приемниками.

Информационные сообщения

Сообщение - это некое описание явления или объекта, выраженное в виде совокупности данных, имеющей признаки начала и конца. Некоторые сообщения, например, речь и музыка, представляют собой непрерывные функции времени звукового давления. При телеграфной связи сообщение - это текст телеграммы в виде буквенно-цифровой последовательности. Телевизионное сообщение - это последовательность сообщений-кадров, которые «видит» объектив телекамеры и фиксирует их с частотой следования кадров. Подавляющая часть передаваемых в последнее время через системы передачи информации сообщений представляют собой числовые массивы, текстовые, графические, а также аудио- и видеофайлы.

Информационные сигналы

Передача информации возможна, если у нее имеется физический носитель, характеристики которого изменяются в зависимости от содержания передаваемого сообщения таким образом, чтобы они с минимальными искажениями преодолели канал передачи и могли быть распознаны приемником. Эти изменения физического носителя данных образуют информационный сигнал.

Сегодня передача и обработка информации происходят при помощи электрических сигналов в проводных и радиоканалах связи, а также благодаря оптическим сигналам в ВОЛС.

Аналоговые и цифровые сигналы

Широко известным примером аналогового сигнала, т.е. непрерывно изменяющегося во времени, является напряжение, снимаемое с микрофона, которое несет речевое или музыкальное информационное сообщение. Оно может быть усилено и передано по проводным каналам на звуковоспроизводящие системы концертного зала, которые донесут речь и музыку со сцены до зрителей на галерке.

Если в соответствии с величиной напряжения на выходе микрофона непрерывно во времени изменять амплитуду или частоту высокочастотных электрических колебаний в радиопередатчике, то можно осуществить передачу в эфир аналогового радиосигнала. Телепередатчик в системе аналогового телевидения формирует аналоговый сигнал в виде напряжения, пропорционального текущей яркости элементов изображения, воспринимаемого объективом телекамеры.

Однако если аналоговое напряжение с выхода микрофона пропустить через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), то на его выходе получится уже не непрерывная функция времени, а последовательность отсчетов этого напряжения, взятых через равные промежутки времени с частотой дискретизации. Кроме того, ЦАП выполняет еще и квантование по уровню исходного напряжения, заменяя весь возможный диапазон его значений конечным набором величин, определяемых числом двоичных разрядов своего выходного кода. Получается, что непрерывная физическая величина (в данном случае это напряжение) превращается в последовательность цифровых кодов (оцифровывается), и далее уже в цифровом виде может храниться, обрабатываться и передаваться через сети передачи информации. Это существенно повышает скорость и помехоустойчивость подобных процессов.

Каналы передачи информации

Обычно под этим термином понимаются комплексы технических средств, задействованных в передаче данных от источника к приемнику, а также среда между ними. Структура такого канала, использующая типовые средства передачи информации, представлена следующей последовательностью преобразований:

ИИ - ПС - (КИ) - КК - М - ЛПИ - ДМ - ДК - ДИ - ПС

ИИ - источник информации: человек либо иное живое существо, книга, документ, изображение на неэлектронном носителе (холст, бумага) и т.д.

ПС - преобразователь информсообщения в информсигнал, выполняющий первую стадию передачи данных. В качестве ПС могут выступать микрофоны, теле- и видеокамеры, сканеры, факсы, клавиатуры ПК и т. д.

КИ - кодер информации в информсигнале для сокращения объема (сжатия) информации с целью повысить скорость ее передачи или сократить полосу частот, требуемую для передачи. Данное звено необязательно, что показано скобками.

КК - канальный кодер для повышения помехозащищённости информсигнала.

М - сигнальный модулятор для изменения характеристик промежуточных сигналов-носителей в зависимости от величины информсигнала. Типичный пример - амплитудная модуляция сигнала-носителя высокой несущей частоты в зависимости от величины низкочастотного информсигнала.

ЛПИ - линия передачи информации, представляющая совокупность физической среды (например, электромагнитное поле) и технических средств для изменения ее состояния с целью передачи сигнала-носителя к приемнику.

ДМ - демодулятор для отделения информсигнала от сигнала-носителя. Присутствует только при наличии М.

ДК - канальный декодер для выявления и/или исправления ошибок в информсигнале, возникших на ЛПИ. Присутствует только при наличии КК.

ДИ - декодер информации. Присутствует только при наличии КИ.

ПИ - приемник информации (компьютер, принтер, дисплей и т. д.).

Если передача информации двусторонняя (канал дуплексный), то по обе стороны ЛПИ имеются блоки-модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор), объединяющие в себе звенья М и ДМ, а также блоки-кодеки (КОдер-ДЕКодер), объединяющие кодеры (КИ и КК) и декодеры (ДИ и ДК).

Характеристики каналов передачи

К основным отличительным чертам каналов относятся пропускная способность и помехозащищенность.

В канале информсигнал подвергается действию шумов и помех. Они могут вызываться естественными причинами (например, атмосферными для радиоканалов) или быть специально созданными противником.

Помехозащищенность каналов передачи повышают путем использования разного рода аналоговых и цифровых фильтров для отделения информсигналов от шума, а также спецметодов передачи сообщений, минимизирующих влияние шумов. Одним из таких методов является добавление лишних символов, не несущих полезного содержания, но помогающих контролировать правильность сообщения, а также исправлять в нем ошибки.

Пропускная способность канала равна максимальному количеству двоичных символов (кбит), передаваемых им при отсутствии помех за одну секунду. Для различных каналов она варьируется от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с и определяется их физическими свойствами.

Теория передачи информации

Клод Шеннон является автором специальной теории кодирования передаваемых данных, открывшим методы борьбы с шумами. Одна из основных идей этой теории заключается в необходимости избыточности передаваемого по линиям передачи информации цифрового кода. Это позволяет при потере какой-то части кода в процессе его передачи восстановить потерю. Такие коды (цифровые информсигналы) называются помехоустойчивыми. Однако избыточность кода нельзя доводить до слишком большой степени. Это ведёт к тому, что передача информации идет с задержками, а также к удорожанию систем связи.

Цифровая обработка сигналов

Другой важной составляющей теории передачи информации является система методов цифровой обработки сигналов в каналах передачи. Эти методы включают алгоритмы оцифровывания исходных аналоговых информсигналов с определенной частотой дискретизации, определяемой на основе теоремы Шеннона, а также способы формирования на их основе помехозащищенных сигналов-носителей для передачи по линиям связи и цифровой фильтрации принятых сигналов с целью отделения их от помех.

11.04.2007 17:46

Разные подходы к выполнению коммутации
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.

Рис. 1. Общая структура сети с коммутацией абонентов

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.

Коммутация каналов
При коммутации каналов коммутационная сеть 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 буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

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 A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E 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.

Рис. 2. Установление составного канала

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 каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.

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

Коммутация пакетов
Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, 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 на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 3). Пакеты транспортируются по 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.

Рис. 3. Разбиение сообщения на пакеты

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 3). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 4 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа — он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Рис. 4. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

время на передачу заголовков;

задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

время буферизации пакета;

время коммутации, которое складывается из:

времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);
времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства коммутации пакетов

Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов

Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

Возможные потери данных из-за переполнения буферов.
В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

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. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение (это может быть, например, текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо) хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранения-и-передачи" (store-and-forward).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать его серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.
Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Сравнение способов коммутации

Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов

Коммутация каналов	Коммутация пакетов
Гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов	Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения	Сеть всегда готова принять данные от абонента
Трафик реального времени передается без задержек	Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
Адрес используется только на этапе установления соединения	Адрес передается с каждым пакетом

Постоянная и динамическая коммутация

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса:

сети с динамической коммутацией;

сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией:

разрешается устанавливать соединение по инициативе пользователя сети;

коммутация выполняется только на время сеанса связи, а затем (по инициативе одного из пользователей) разрывается;

в общем случае пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети;

время соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается после выполнения определенной работы — передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т.п.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Сеть, работающая в режиме постоянной коммутации:

разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени;

соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть;

период, на который устанавливается постоянная коммутация, составляет обычно несколько месяцев;

режим постоянной (permanent) коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов;

в том случае, когда постоянное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его часто называют полупостоянным (semi-permanent) соединением, в отличие от режима ручного конфигурирования каждого коммутатора.

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети X.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению определенному абоненту.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов
Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. В случае коммутации каналов после образования составного канала пропускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна — это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 5.). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Тк.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи и задержки передачи сообщения. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V — объем сообщения в битах, а C — пропускная способность канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов картина совсем иная.

Рис. 5 Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, занимает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

Рис. 6. Задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов.

На рис. 6 показан пример передачи данных в сети с коммутацией пакетов. Предполагается, что по сети передается сообщение того же объема, что и сообщение, передаваемое на рис. 5. однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено на рисунке Тк.п. При передаче этого разбитого на пакеты сообщения по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные задержки. Во-первых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков tп.з., к тому же добавляются задержки tинт, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета tб.п. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации tк. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксировано и, как правило, невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети.

Проведем грубую оценку задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, имеет объем 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/c.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (принимая скорость распространения сигнала равной 2/3 скорости света), и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности 2 Мбит/c и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс. При расчете корректное значение К (210), равное 1024, округлялось до 1000, аналогично значение М (220), равное 1048576, округлялось до 1000000. Таким образом, передача данных оценивается в 825 мс.

Ясно, что при передаче этого сообщения по сети с коммутацией пакетов, обладающей такой же суммарной длиной и пропускной способностью каналов, пролегающих от отправителя к получателю, время распространения сигнала и время передачи данных будут такими же — 825 мс. Однако из-за задержек в промежуточных узлах общее время передачи данных увеличится. Давайте оценим, на сколько возрастет это время. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Пусть исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов. Вначале оценим задержку, которая возникает в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10% от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, то дополнительные потери за счет интервалов составят 200 мс. Таким образом, в исходном узле из-за пакетирования сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации, которая может составлять от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере будем считать, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщений через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка при величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/c равна 4 мс. Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами, составляет примерно 240 мс. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составила 520 мс. Учитывая, что вся передача данных в сети с коммутацией каналов заняла 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной.

Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, он объясняет, почему процесс передачи для определенной пары абонентов в сети с коммутацией пакетов является более медленным, чем в сети с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов — это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично, в мультипрограммной операционной системе время выполнения приложения предсказать невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми данное приложение делит процессор.

На эффективность работы сети влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутацией пакетов к сети с коммутацией каналов, поэтому эффективность сети падает. Кроме того, при большом размере пакетов увеличивается время буферизации на каждом коммутаторе. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации, так как каждый пакет содержит заголовок фиксированной длины, а количество пакетов, на которые разбиваются сообщения, при уменьшении размера пакета будет резко расти. Существует некоторая "золотая середина", когда обеспечивается максимальная эффективность работы сети, однако это соотношение трудно определить точно, так как оно зависит от многих факторов, в том числе изменяющихся в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться размер пакета, а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксированную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что дает возможность передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4 Кбайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен, а небольшие пакеты обычно используются для коротких служебных сообщений, содержащих, к примеру, подтверждение доставки пакета.

При выборе размера пакета необходимо также учитывать интенсивность битовых ошибок канала. На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов, так как это сокращает объем повторно передаваемых данных при искажениях пакетов.
Ethernet — пример стандартной технологии коммутации пакетов

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии — Ethernet. (Заметим, что мы не будем сейчас подробно рассматривать саму технологию — отложим этот важный вопрос до следующего курса, а сегодня остановимся лишь на некоторых принципиальных моментах, иллюстрирующих ряд уже рассмотренных базовых концепций.)
Сетевая технология — это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.

Эпитет "достаточный" подчеркивает то обстоятельство, что речь идет о минимальном наборе средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть. Эту сеть можно усовершенствовать, например, за счет выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стандарта Ethernet применения протокола IP, а также специальных коммуникационных устройств — маршрутизаторов. Усовершенствованная сеть будет, скорее всего, более надежной и быстродействующей, но за счет надстроек над средствами технологии Ethernet, которая составила базис сети.

Термин "сетевая технология" чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набора средств и правил для построения сети, например "технология сквозной маршрутизации", "технология создания защищенного канала", "технология IP-сетей".

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле), создавались специально для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей как Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии — сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., — и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Итак, для сетевой технологии Ethernet характерны:

коммутация пакетов;

типовая топология "общая шина";

плоская числовая адресация;

разделяемая передающая среда.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, — случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой "общая шина" (рис. 7.). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами — сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а точнее, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

Рис. 7. Сеть Ethernet.

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу и при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры начинают одновременно принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Может возникнуть ситуация, когда несколько компьютеров одновременно решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Основные достоинства технологии Ethernet
1. Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины.
2. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.
3. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Другие базовые сетевые технологии, такие как Token Ring и FDDI, хотя и обладают индивидуальными чертами, в то же время имеют много общего с Ethernet. В первую очередь, это применение регулярных фиксированных топологий ("иерархическая звезда" и "кольцо"), а также разделяемых сред передачи данных. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды — случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

Дейтаграммная передача

В сетях с коммутацией пакетов сегодня применяется два класса механизмов передачи пакетов:

дейтаграммная передача;

виртуальные каналы.

Примерами сетей, реализующих дейтаграммный механизм передачи, являются сети Ethernet, IP и IPX. С помощью виртуальных каналов передают данные сети X.25, frame relay и ATM. Сначала мы рассмотрим базовые принципы дейтаграммного подхода.

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, никак не учитывается.

Выбор следующего узла — например, коммутатора Ethernet или маршрутизатора IP/IPX — происходит только на основании адреса узла назначения, содержащегося в заголовке пакета. Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий (транзитный или конечный) узел. Такие таблицы имеют разные названия — например, для сетей Ethernet они обычно называются таблицей продвижения (forwarding table), а для сетевых протоколов, таких как IP и IPX, — таблицами маршрутизации (routing table). Далее для простоты будем пользоваться термином "таблица маршрутизации" в качестве обобщенного названия такого рода таблиц, используемых для дейтаграммной передачи на основании только адреса назначения конечного узла.

В таблице маршрутизации для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих, соответственно, на различные адреса следующего маршрутизатора. Такой подход используется для повышения производительности и надежности сети. В примере на рис. 8 пакеты, поступающие в маршрутизатор R1 для узла назначения с адресом N2, А2, в целях баланса нагрузки распределяются между двумя следующими маршрутизаторами — R2 и R3, что снижает нагрузку на каждый из них, а значит, уменьшает очереди и ускоряет доставку. Некоторая "размытость" путей следования пакетов с одним и тем же адресом назначения через сеть является прямым следствием принципа независимой обработки каждого пакета, присущего дейтаграммным протоколам. Пакеты, следующие по одному и тому же адресу назначения, могут добираться до него разными путями и вследствие изменения состояния сети, например отказа промежуточных маршрутизаторов.

Рис. 8. Дейтаграммный принцип передачи пакетов.

Такая особенность дейтаграммного механизма как размытость путей следования трафика через сеть также в некоторых случаях является недостатком. Например, если пакетам определенной сессии между двумя конечными узлами сети необходимо обеспечить заданное качество обслуживания. Современные методы поддержки QoS работают эффективней, когда трафик, которому нужно обеспечить гарантии обслуживания, всегда проходит через одни и те же промежуточные узлы.
Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.

Если целью является прокладка для всех пакетов потока единого пути через сеть, то необходимым (но не всегда единственным) признаком такого потока должно быть наличие для всех его пакетов общих точек входа и выхода из сети. Именно для передачи таких потоков в сети создаются виртуальные каналы. На рисунке 9 показан фрагмент сети, в которой проложены два виртуальных канала. Первый проходит от конечного узла с адресом N1, A1 до конечного узла с адресом N2, A2 через промежуточные коммутаторы сети R1, R3, R7 и R4. Второй обеспечивает продвижение данных по пути N3, A3 — R5 — R7 — R4 — N2, A2. Между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных каналов, как полностью совпадающих в отношении пути следования через транзитные узлы, так и отличающихся.

Рис. 9. Принцип работы виртуального канала.

Сеть только обеспечивает возможность передачи трафика вдоль виртуального канала, а какие именно потоки будут передаваться по этим каналам, решают сами конечные узлы. Узел может использовать один и тот же виртуальный канал для передачи всех потоков, которые имеют общие с данным виртуальным каналом конечные точки, или же только части из них. Например, для потока реального времени можно использовать один виртуальный канал, а для трафика электронной почты — другой. В последнем случае разные виртуальные каналы будут предъявлять разные требования к качеству обслуживания, и удовлетворить их будет проще, чем в том случае, когда по одному виртуальному каналу передается трафик с разными требованиями к параметрам QoS.

Важной особенностью сетей с виртуальными каналами является использование локальных адресов пакетов при принятии решения о передаче. Вместо достаточно длинного адреса узла назначения (его длина должна позволять уникально идентифицировать все узлы и подсети в сети, например технология АТМ оперирует адресами длиной в 20 байт) применяется локальная, то есть меняющаяся от узла к узлу, метка, которой помечаются все пакеты, перемещаемые по определенному виртуальному каналу. Эта метка в различных технологиях называется по-разному: в технологии X.25 — номер логического канала (Logical Channel number, LCN), в технологии frame relay — идентификатор соединения уровня канала данных (Data Link Connection Identifier, DLCI), в технологии АТМ — идентификатор виртуального канала (Virual Channel Identifier, VCI). Однако назначение ее везде одинаково — промежуточный узел, называемый в этих технологиях коммутатором, читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, в которой указывается, на какой выходной порт нужно передать пакет. Таблица коммутации содержит записи только о проходящих через данный коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех имеющихся в сети узлах (или подсетях, если применяется иерархический способ адресации). Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше количества узлов и подсетей, поэтому по размерам таблица коммутации намного меньше таблицы маршрутизации, а, следовательно, просмотр занимает гораздо меньше времени и не требует от коммутатора большой вычислительной мощности.

Идентификатор виртуального канала (именно такое название метки будет использоваться далее) также намного короче адреса конечного узла (по той же причине), поэтому и избыточность заголовка пакета, который теперь не содержит длинного адреса, а переносит по сети только идентификатор, существенно меньше.

Канальный уровень (data link layer) является первым уровнем (если идти снизу вверх), который работает в режиме коммутации пакетов. На этом уровне PDƯ обычно носит название кадр (frame).

Функции средств канального уровня определяются по-разному для локальных и глобальных сетей.

В локальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра между любыми узлами сети. При этом предполагается, что сеть имеет типовую топологию, например общую шину, кольцо, звезду или дерево (иерархическую звезду). Примерами технологий локальных сетей, применение которых ограничено типовыми топологиями, являются Ethernet, FDDI, Token Ring.

В глобальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра только между двумя соседними узлами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами двухточечных протоколов (как часто называют такие

протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и HDLC. На основе двухточечных связей могут быть построены сети произвольной топологии.

Для связи локальных сетей между собой или для доставки сообщений между любыми конечными узлами глобальной сети используются средства более высокого сетевого уровня.

Одной из функций канального уровня является поддержание интерфейсов с нижележащим физическим уровнем и вышележащим сетевым уровнем. Сетевой уровень направляет канальному уровню пакет для передачи в сеть или принимает от него пакет, полученный из сети. Физический уровень используется канальным как инструмент, который принимает и передает в сеть последовательности битов.

Начнем рассмотрение работы канального уровня, начиная с момента, когда сетевой уровень отправителя передает канальному уровню пакет, а также указание, какому узлу его передать. Для решения этой задачи канальный уровень создает кадр, который имеет поле данных и заголовок. Канальный уровень помещает (¡инкапсулирует) пакет в поле данных кадра и заполняет соответствующей служебной информацией заголовок кадра. Важнейшей информацией заголовка кадра является адрес назначения, на основании которого коммутаторы сети будут продвигать пакет.

Одной из задач канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок. Для этого канальный уровень фиксирует границы кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец, а затем добавляет к кадру контрольную сумму, которая называется также контрольной последовательностью кадра (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. По значению FCS узел назначения сможет определить, были или нет искажены данные кадра в процессе передачи по сети.

Однако прежде, чем переправить кадр физическому уровню для непосредственной передачи данных в сеть, канальному уровню может потребоваться решить еще одну важную задачу. Если в сети используется разделяемая среда, то прежде чем физический уровень начнет передавать данные, канальный уровень должен проверить доступность среды. Функции проверки доступности разделяемой среды иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Если разделяемая среда освободилась (когда она не используется, то такая проверка, конечно, пропускается), кадр передается средствами физического уровня в сеть, проходит по каналу связи и поступает в виде последовательности битов в распоряжение физического уровня узла назначения. Этот уровень в свою очередь передает полученные биты «наверх» канальному уровню своего узла. Последний группирует биты в кадры, снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если они совпадают, кадр считается правильным. Если же контрольные суммы не совпадают, фиксируется ошибка. В функции канального уровня входит не

только обнаружение ошибок, но и исправление их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Однако эта функция не является обязательной и в некоторых реализациях канального уровня она отсутствует, например в Ethernet, Token Ring, FDDI и Frame Relay.

Протоколы канального уровня реализуются компьютерами, моотами, коммутаторами и маршрутизаторам и, В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов/

Протокол канального уровня обычно работает в пределах сети, являющейся одной из составляющих более крупной составной сети, объединенной протоколами сетевого уровня. Адреса, с которыми работает протокол канального уровня, используются для доставки кадров только в пределах этой сети, а для перемещения пакетов между сетями применяются уже адреса следующего, сетевого, уровня.

В локальных сетях канальный уровень поддерживает весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня локальных сетей оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу непосредственно поверх себя протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Тем не менее для качественной передачи сообщений в сетях с произвольной топологией функций канального уровня оказывается недостаточно.

Это утверждение в еще большей степени справедливо для глобальных сетей, в которых протокол канального уровня реализует достаточно простую функцию передачи данных между соседними узлами.