Методы коммутации. Коммутация каналов

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Абоненты соединяются с коммутаторами индивидуальными линиями связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Между коммутаторами линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

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

· Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования
Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.

· Коммутация каналов на основе разделения времени
Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.
Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (TimeDivisionMultiplexing, TDM). Реже используется и другое ее название - техника синхронного режима передачи (SynchronousTransferMode, STM). Рисунок 2.28 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.

25. Коммутация. Коммутация сообщений .Коммутация пакетов.

Коммутация — это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации. Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения. При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.

Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.

Коммутация пакетов - это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. 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 (EtherNet). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Достоинства коммутации пакетов: 1) более устойчива к сбоям. 2) высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика. 3) возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи.

Недостатки коммутации пакетов: 1) неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети. 2) переменная величина задержки пакетов данных. 3) возможны потери данных из-за переполнения буферов. 4) возможны нарушения последовательности прихода пакетов.

В компьютерных сетях применяется коммутация пакетов.

26 Token Ring — технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркерным доступом» — протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркером, который перемещается вокруг кольца. Владение маркером предоставляет его обладателю право передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркерным доступом перемещаются в цикле.

FDDI (англ. FiberDistributedDataInterface — Волоконно-оптический распределенный интерфейс передачи данных) — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 километров. Стандарт основан на протоколе TokenRing. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

TokenRing и FDDI — это функционально намного более сложные технологии, чем Ethernet на разделяемой среде. Разработчики этих технологий стремились наделить сеть на разделяемой среде многими положительными качествами: сделать механизм разделения среды предсказуемым и управляемым, обеспечить отказоустойчивость сети, организовать приоритетное обслуживание для чувствительного к задержкам трафика, например голосового.

Механизм доступа к среде в сетях TokenRing и FDDI является более детерминированным, чем в сетях Ethernet. Рассмотрим его на примере сети TokenRing, станции которой связаны в кольцо, так что любая станция непосредственно получает данные только от одной станции — той, которая является предыдущей в кольце, а передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных. Скорость передачи данных в первых сетях TokenRing, разработанных компанией IBM, была всего 4 Мбит/с, но затем была повышена до 16 Мбит/с. Основная среда передачи данных — витая пара. Для адресации станций сети TokenRing (и FDDI) используют МАС-адреса того же формата, что и Ethernet.

Метод доступа TokenRing основан на передаче от узла к узлу специального кадра — токена, или маркера, доступа, при этом только узел, владеющий токеном, может передавать свои кадры в кольцо, которое становится в этом случае разделяемой средой. Существует лимит на период монопольного использования среды — это так называемое время удержания токена, по истечение которого станция обязана передать токен своему соседу по кольцу. В результате такие ситуации, как неопределенное время ожидания доступа к среде, характерные для Ethernet, здесь исключены. Максимальное время ожидания равно произведению времени удержания токена на количество станций в кольце. Так как станция, получившая токен, но не имеющая в этот момент кадров для передачи, передает токен следующей станции, то время ожидания может быть меньше.

Отказоустойчивость сети TokenRing определяется использованием в сети повторителей создания кольца. Каждый такой повторитель имеет несколько портов, которые образуют кольцо за счет внутренних связей между передатчиками и приемниками. В случае отказа или отсоединения станции повторитель организует обход порта этой станции, так что связность кольца не нарушается. Станция имеет право захватить переданный ей токен только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета токена (или равен ему). В противном случае станция обязана передать токен следующей по кольцу станции.

Благодаря более высокой, чем в сетях Ethernet, скорости, детерминированности распределения пропускной способности сети между узлами, а также лучших эксплуатационных характеристик, сети TokenRing были предпочтительным выбором для таких чувствительных к подобным показателям приложений, как банковские системы и системы управления предприятием.

27 Технологию FDDIможно считать усовершенствованным вариантом TokenRing, так как в ней, как и в TokenRing, используется метод доступа к среде, основанный на передаче токена , а также кольцевая топология связей, но вместе с тем FDDI работает на более высокой скорости и имеет более совершенный механизм отказоустойчивости. Технология FDDI стала первой технологией локальных сетей, в которой оптическое волокно было использовано в качестве разделяемой среды передачи данных. За счет применения оптических систем скорость передачи данных удалось повысить до 100 Мбит/с. В тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность сети FDDI, применялось двойное кольцо. В нормальном режиме станции используют для передачи данных и токена доступа первичное кольцо, а вторичное простаивает. В случае отказа, например, при обрыве кабеля между станциями 1 и 2, первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется режимом свертывания колец. Операция свертывания производится средствами повторителей и/или сетевых адаптеровFDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении,а по вторичному — в обратном. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями. В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить факт наличия отказа в сети, а затем произвести необходимое реконфигурирование. Технология FDDI расширяет механизмы обнаружения отказов технологии TokenRing за счет резервных связей, которые предоставляет второе кольцо.

28Технология GigabitEthernet представляет собой дальнейшее развитие стандартов 802.3 для сетей Ethernet с пропускной способностью 10 и 100 Мбит/с. Основная цель GigabitEthernet состоит в значительном повышении скорости передачи данных с сохранением совместимости с уже установленными сетями на базе Ethernet. Необходимо обеспечить возможность пересылки данных между сегментами, работающими на разных скоростях, что, помимо всего прочего, позволило бы упростить архитектуру существующих мостов и коммутаторов, применяющихся в больших промышленных сетях.

При разработке этой технологии были поставлены следующие задачи :

• Достичь скорости передачи 1 Гбит/с.
• Использовать формат кадра Ethernet 802.3.
• Соответствовать функциональным требованиям стандарта 802.
• Предусмотреть простое взаимодействие между сетями со скоростями 10, 100 и 1000 Мбит/с.
• Сохранить неизменными минимальный и максимальный размер кадра согласно существующему стандарту.
• Предоставить поддержку полу- и полнодуплексного режима работы.
• Поддерживать топологию "звезда".
• Использовать метод доступа CSMA/CD с поддержкой по крайней мере одного повторителя в домене коллизий ( под доменом коллизий понимается область, в пределах которой кадры от различных станций могут конфликтовать друг с другом ).
• Поддерживать спецификации ANSI FibreChannel FC-1 и FC-0 ( оптоволоконный кабель ) и, если возможно, медный кабель.
• Предоставить семейство спецификаций физического уровня, которые поддерживалибы канал длиною не менее :
• 500 метров на многомодовом оптоволоконном кабеле;
• 25 метров на медном проводе;
• 3000 метров на одномодовом оптоволоконном кабеле.
• Определить методы контроля потока.
• Стандартизировать независимый от среды интерфейс GMII ( GigabitEthernetMediaIndependentInterface ).

В основном, продукты, поддерживающие технологию GigabitEthernet, планируется внедрять в центре корпоративной сети. Наиболее быстрый и простой путь получения отдачи от GigabitEthernet состоит в замене традиционных коммутаторов FastEthernet на концентраторы или коммутаторы GigabitEthernet. Это приводит к тому, что в сети появляется некая иерархия скоростей. ПК могут подключаться со скоростью 10 Мбит/с к коммутаторам рабочих групп, которые затем связываются с коммутаторами FastEthernet, имеющими порты для связи со скоростью 1 Гбит/с.

К недостаткам технологии GigabitEthernet можно отнести отсутствие встроенного механизма поддержки качества обслуживания. Как и её предшественники, технология предполагает конкуренцию за доступ к среде передачи без какой-либо гарантии качества обслуживания. Однако пользователи GigabitEthernet для обеспечения качества обслуживания могут воспользоваться протоколами на базе IP, такими как RSVP. Они позволяют резервировать ресурсы маршрутизаторов для обеспечения необходимой скорости передачи данных. Достоинство такого подхода заключается в том, что удаётся сохранить основную часть капиталовложений в маршрутизаторы. Но если сеть предназначена для интенсивного трафика с отличающимися характеристиками, то в этом случае технология АТМ сможет обеспечить лучшее качество обслуживания, чем GigabitEthernet.

Очевидно, что с ростом требований приложений загрузка каналов связи корпоративных серверов также возрастает. Для повышения производительности можно подключать серверы к коммутатору по каналу связи со скоростью 1 Гбит/с. Однако следует убедиться, что сервер способен поддержать такую скорость обмена информацией. Таблица 3 содержит теоретический верхний предел пропускной способности шин для некоторых архитектур серверов.

Таблица 3. Пропускная способность шин серверов

Тип шины	Пропускная способность, Мбит/с
ISA
EISA
MCA
PCI ( 32 бита, 33Мгц )
PCI ( 64 бита, 66Мгц )

Самым простым способом получения немедленной выгоды от использования новой технологии является организация её на основе магистрали сети с последующим подключением серверов. Кроме установки новых коммутаторов и сетевых адаптеров, никаких изменений не потребуется.

29Технология FastEthernetявляется эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:

• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
• сохранение метода случайного доступа Ethernet;
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: FastEthernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети. Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5, или экранированной витой паре STP Type 1;
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 3, 4 или 5;
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

30 Структурированная кабельная система.

Иерархия в кабельной системе

Структурированная кабельная система (StructuredCablingSystem, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Структурированная кабельная система представляет своего рода «конструктор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной, В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

Структурированная кабельная система планируется и строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее.

Эта система может быть построена на базе уже существующих современных телефонных кабельных систем, в которых кабели, представляющие собой набор витых пар, прокладываются в каждом здании, разводятся между этажами, на каждом этаже используется специальный .кроссовый шкаф, от которого провода в трубах и коробах подводятся к каждой комнате и разводятся по розеткам.

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы включает:

• горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
• вертикальные подсистемы (внутри здания);
• подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ.

• Универсальность.
• Увеличение срока службы.
• Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения.
• Возможность легкого расширения сети.
• Обеспечение более эффективного обслуживания.
• Надежность.