Классификация способов коммутации данных

Под коммутацией данных понимается их передача, при ко­торой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами инфор­мационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами. Различают следующие способы коммутации данных:

 коммутация каналов – осуществляет соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивает монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока со­единение не будет разомкнуто;

 коммутация сообщений – характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целост­ности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;

 коммутация пакетов – сообщение передается по виртуаль­ному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Коммутация каналов

Коммутация каналов мо­жет быть пространственной и временной.

Пространственный ком­мутатор размера N·M пред­ставляет собой сетку (матри­цу), в которой N входов под­ключены к горизонтальным шинам, а М выходов – к вер­тикальным (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Матрица пространственного коммутатора

В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если NМ, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N·N.

Недостаток рассмотренной схемы – большое число комму­тирующих элементов в квадрат­ной матрице, равное N2. Для устранения этого недостатка применяют многоступенчатые коммутаторы. Например, схе­ма трехступенчатого коммутато­ра 6·6 имеет вид, представ­ленный на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема трехступенчатого пространственного коммутатора

Достаточным условием от­сутствия блокировок входов является равенство k2n–1. Здесь k – число блоков в промеж­уточном каскаде; n=N/p; р – число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.2 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется вы­полнить соединение a1–d1, но ранее скоммутированы соеди­нения a2-b2-c4-d3, a3-b3-c1-d2, то для а1 доступны шины b1, с3 и с5, однако они не ведут к d1.

В многоступенчатых коммутаторах существенно уменьшено число переключательных элементов за счет некоторого увели­чения задержки. Так, при замене одноступенчатого коммутатора 1000·1000 трехступенчатым с n=22 и k=43 число переключа­телей уменьшается с 106до 2 · 46 · 22 · 43 + 43 · 46 · 46, т е. при­мерно до 0,186 · 106.

Временной коммутатор построен на основе буферной па­мяти, запись производится в ее ячейки последовательным оп­росом входов, а коммутация осуществляется благодаря считы­ванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла “запись-чтение”.

В настоящее время преимущественно используется временная или смешанная коммутация.

Коммутация пакетов

Во многих случаях наиболее эффективной оказывается ком­мутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна па­раллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

В сетях коммутации пакетов различают два режима работы:

 режим виртуальных каналов (другое название – связь с установлением соединения);

 дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому мар­шруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так на­зываемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM – Time Division Method), или задерживаться в промеж­уточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения – положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осущест­вляться стартстопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит под­тверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи “в окне”. Окно может включать N пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протя­жении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером К, то нужна повторная передача и она начинается с пакета К. В сетях может использоваться переменный размер окна.

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграм­мы. Дейтаграмма – часть информации, передаваемая незави­симо от других частей одного и того же сообщения в вычис­лительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последова­тельности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказывается полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.