Методи передачі даних та комутації в ІОМ
Функціонування довільної мережі неможливе без надійної і швидкої передачі дискретних даних по лініях зв'язку шляхом представлення двійкових одиниць і нулів за допомогою імпульсних чи синусоїдальних сигналів та пересилання їх за лініями зв'язку різної фізичної природи.
Лінії зв'язку є фізичним середовищем, по якому передаються інформаційні сигнали. Це обов'язкова ланка будь-якої системи передачі інформації. У одній лінії зв'язку може бути організовано кілька каналів зв'язку шляхом часового, частотного кодового і інших видів поділу. Такі канали називають логічними (віртуальними) каналами. Якщо канал повністю монополізує лінію зв'язку, то він може називатися фізичним каналом, і в цьому випадку збігається з лінією зв'язку.
За технологією (принципом організації) передачі даних та способом використання комунікаційного середовища, мережі можна розділити на дві групи: послідовні (з передачею від вузла до вузла) і широкомовні (мережі з моноканалом).
Широкомовні мережі мають один єдиний канал зв’язку, який спільно використовується усіма машинами мережі. В кожен момент часу передачу може вести лише один вузол, решта вузлів можуть лише приймати повідомлення. Короткі повідомлення (деколи називані пакетами), що надсилаються одним вузлом (машиною) мережі, отримуються всіма іншими вузлами. Поле адреси у пакеті ідентифікує одержувача повідомлення. Всі пакети доступні всім користувачам мережі, та «відкрити» пакет може лише той абонент, чия адреса в пакеті вказана. Такі мережі іноді називають мережами з селекцією інформації. При отриманні пакета машина перевіряє його адресне поле: якщо пакет адресованій їй, він обробляється, якщо ні – ігнорується. За допомогою спеціального коду в полі адреси широкомовні мережі можуть адресувати пакет всім машинам мережі (таку операцію називають широкомовленням) чи певній підмножині (групі) машин (таку операцію називають багатоадресною передачею) за допомогою резервування бітів для ознак багатоадресної передачі та номеру групи. Такі мережі іноді називають мережами з селекцією інформації.
Залежно від способу призначення (надання) каналу для передачі широкомовні мережі поділяються на статичні та динамічні. При статичному призначенні весь час поділяється порівну (на рівні інтервали) між усіма машинами, так що кожна машина може надавати повідомлення лише в межах виділеного їй інтервалу незалежно від наявності у неї повідомлення для передачі. Для покращення використання каналу частіше застосовується динамічне надання каналу, тобто надання за вимогою.
Послідовні мережі складаються з великої кількості пар вузлів (машин). У послідовних мережах передача даних виконується послідовно від одного вузла до іншого і кожен вузол ретранслює прийняті дані далі, завдяки чому їх ще називають мережами з передачею даних від вузла до вузла). Перш ніж дістатися адресата, пакет проходить у таких мережах багато проміжних машин. Оскільки, як правило, існує більше одного можливого шляху від джерела до отримувача, важливим стає оптимізація цього шляху. Такі мережі в процесі передачі даних вимагають маршрутизації, тобто вибору в кожному вузлі шляху подальшого руху інформації, тому їх іноді називають мережами з маршрутизацією інформації. Переважно невеликі, географічно локалізовані мережі застосовують широкомовну передачу, а в більших за розміром та охоплюваною територією застосовують передачу від вузла до вузла. Так послідовну передачу застосовують у більшості ЛОМ з єдиним моноканалом зв’язку чи єдиним спільним комутуючим пристроєм.
Залежно від середовища передачі даних лінії зв'язку ІОМ можуть бути: дротовими (повітряними); кабельними (мідними чи волоконно-оптичними); радіоканалами наземного і супутникового зв'язку
Дротові (повітряні) лінії зв'язку являють собою неізольований дріт, закріплений на стовпах і прокладений між ними у повітрі. Такими лініями зв'язку традиційно передаються телефонні чи телеграфні сигнали, однак за необхідності ці лінії використовуються і для передачі комп'ютерних даних, хоча швидкість їх передачі та завадозахищеність є невисокими.
Кабельні лінії створюються на основі кабелів, оснащених роз'ємами, що дозволяє швидко виконувати приєднання різного устаткування. Кабель складається з дротів, укладених у кілька шарів ізоляції: електричної, електромагнітної, механічної, а деколи і кліматичної. У комп'ютерних мережах застосовуються три основних типи кабелю: кабелі на основі кручених пар мідних проводів, коаксіальні кабелі з мідною жилою, а також волоконно-оптичні кабелі.
Кручена пара існує в екранованому варіанті (Shielded Twistedpair, STP), коли пари мідних проводів обертаються в ізоляційний екран, і неекранованому (Unshielded Twistedpair, UTP), коли ізоляційна обгортка відсутня. Скручування проводів знижує вплив зовнішніх перешкод на корисні сигнали, що передаються кабелем.
Коаксіальний кабель має несиметричну конструкцію і складається з внутрішньої мідної жили й оплетки, відділеної від жили шаром ізоляції. Існує кілька типів коаксіального кабелю, що відрізняються характеристиками й областями застосування — для локальних мереж, для глобальних мереж, для кабельного телебачення тощо. Волоконно-оптичний кабель складається з тонких (5-60 мікрон) волокон, якими поширюються світлові сигнали. Це найбільш якісний тип кабелю — він забезпечує передачу даних з дуже високою швидкістю (до 10 Гбіт/с і вище) і найкращий захист даних від зовнішніх завад.
Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Існує велика кількість різних типів радіоканалів, що відрізняються як використовуваним частотним діапазоном, так і дальністю звязку. Діапазони коротких, середніх і довгих хвиль (KХ, СХ і ДХ), називані також діапазонами амплітудної модуляції (AM) за типом використовуваного в них методу модуляції сигналу, забезпечують зв'язок на великих відстанях, але за невисокої швидкості передачі даних. Більш швидкісними є канали, що працюють на діапазонах ультракоротких хвиль (УКХ), для яких характерна частотна модуляція (ЧМ), а також діапазонах надвисоких частот (НВЧ ). У діапазоні НВЧ (понад 4 Ггц) сигнали вже не відбиваються іоносферою Землі і для стійкого зв'язку потрібна наявність прямої видимості між передавачем і приймачем. Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або радіорелейні канали, де ця умова виконується.
У комп'ютерних мережах сьогодні застосовуються практично всі описані типи фізичних середовищ передачі даних, але найбільш перспективними є волоконно-оптичні. На них сьогодні будуються як магістралі великих територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв'язку локальних мереж. Популярним середовищем є також кручені пари, що характеризуються відмінним співвідношенням якості до вартості, а також простотою монтажу. За допомогою крученої пари зазвичай підключають кінцевих абонентів мереж на відстанях до 100 метрів від концентратора. Супутникові канали і радіозв'язок раніше використовувалися переважно в тих випадках, коли кабельні зв'язки застосувати не можна, наприклад, при проходженні каналу через малонаселену місцевість, проте з 90-х років набуває все більшої популярності технологія бездротових локальних мереж та бездротового доступу за Wi-Fi (wireless fidelity) технологією. Крім того, для передачі даних за радіоканалом на короткі відстані, наприклад, в межах локальних офісних мереж нині починає все ширше використовуватися технологія Bluetooth.
Устаткування безпровідних мереж включає точки безпровідного доступу (Access Point) і безпровідні адаптери для кожного абонента. Точки доступу виконують роль концентраторів, що забезпечують зв'язок між абонентами і між собою, а також функцію мостів, що здійснюють зв'язок із кабельною локальною мережею і з Інтернет. Декілька близько розташованих точок доступу утворюють зону доступу Wi-Fi, в межах якої всі абоненти, забезпечені безпровідними адаптерами, дістають доступ до мережі. Такі зони доступу (Hotspot) створюються в місцях масового скупчення людей: у аеропортах, студентських городках, бібліотеках, магазинах, бізнес-центрах тощо.
При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних способи фізичного кодування — на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб називають модуляцією чи аналоговою модуляцією (оскільки кодування здійснюється зміною параметрів аналогового сигналу), другий - цифровим кодуванням. Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їхньої реалізації.
При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу є набагато ширшим, ніж при застосуванні синусоїди за однакових швидкостей передачі інформації, проте для реалізації аналогової модуляції потрібна складніша і дорожча аппаратура. Сьогодні все частіше дані, які початково мають аналогову форму, наприклад, мова чи телевізійне зображення, передаються за каналами зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації в дискретній формі називається дискретною модуляцією.
Аналогова модуляція застосовується для передачі дискретних даних по каналах з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти (300 ÷ 3400 Гц), наданий у розпорядження користувачам загальних телефонних мереж. Модуляція несучої синусоїди на стороні передавача і демодуляція на стороні приймача виконуються модемом (модулятор-демодулятор).
Аналогова модуляція є способом фізичного кодування, за якого інформація кодується зміною амплітуди (АМ), частоти (ЧМ) чи фази (ФМ) синусоїдального сигналу несучої частоти. За амплітудній модуляції (АМ) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля — інший. За частотної модуляції (ЧМ) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою — fo і f1, за фазової (ФМ) значенням даних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів чи 0, 90, 180 і 270 градусів. Внаслідок низької завадостійкості АМ переважно застосовується у високошвидкісних модемах у поєднанні з іншим видом модуляції — фазовою модуляцією (ФМ); ЧМ в основному застосовується в низькошвидкісних модемах.
Для цифрового кодування дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення напруги сигналу, а її перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не приймаються. Імпульсні коди дозволяють представити двійкові дані або імпульсами визначеної полярності, або частиною імпульсу — перепадом. Для удосконалення потенційних кодів використовується логічне кодування, яке забезпечує заміну довгих послідовностей біт, що приводять до тривалої постійної напруги сигналу (ускладнює розпізнавання окремих біт), вкрапленнями одиниць.
Для того, щоб приймач точно знав, у який момент часу необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку, необхідна синхронізація передавача і приймача. В ІОМ застосовуються самосинхронізуючі сигнали які несуть для передавача вказівки про те, у який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (чи кількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу (фронт сигналу) може відігравати роль такої вказівки. При використанні синусоїди в якості несучого сигналу результуючий код має властивість самосинхронізації, тому що зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду.
Передача даних між комп'ютерами і терміналами у ІОМ переважно здійснюється за допомогою перепадів напруги сигналу, тобто з використанням імпульсних чи потенційних кодів. Ця передача може бути як паралельною, так і послідовною. За паралельної передачі дані пересилаються одразу по кількох лініях (тобто передається до 8 біт інформації одночасно), за послідовної – по одній лінії. За паралельної передачі кожний біт символу передається за окремою лінією зв'язку. Коли на певній лінії присутні всі біти, передавач по додатковій лінії надає приймачу спеціальний сигнал, називаний стробом, який сповіщає приймач про завершення формування і можливість прийняття чергової порції бітів. Такий спосіб передачі даних вимагає великих витрат на прокладку кабелів, тому застосовується за невеликих відстаней між комп'ютером та периферійним обладнанням. При більших відстанях застосовують послідовну передачу. За послідовної передачі перетворення групи бітів у послідовність і назад здійснюють за допомогою зсувних регістрів. Послідовна передача називається синхронною, якщо моменти відправки та прийому кожного біту точно визначені, і асинхронною, якщо синхронізація кожного з передаваних символів здійснюється незалежно від інших.
При обміні даними на фізичному рівні одиницею інформації є біт, тому засоби фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем. Канальний рівень оперує кадрами даних і забезпечує синхронізацію між приймачем і передавачем на рівні кадрів. В обов'язки приймача входить розпізнавання початку першого байта кадру, розпізнавання границь полів кадру і розпізнавання ознаки закінчення кадру. Звичайно досить забезпечити синхронізацію на бітовому і кадровому рівнях, проте для здешевлення і підвищення надійності передачі даних уводять додаткові засоби синхронізації на байтовому рівні з використанням асинхронного (старт-стопового) режиму. Необхідність використання такого режиму викликана також наявністю пристроїв, що генерують байти даних у випадкові моменти часу (наприклад, клавіатура дисплея чи іншого термінального пристрою, з якого людина вводить дані для обробки їх комп'ютером).
В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами «старт» і «стоп». Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про прихід даних і, по-друге, щоб дати приймачу досить часу для виконання деяких функцій, зв'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора чи два такти, тому говорять, що використовується один, півтора чи два службових біти в якості стопового сигналу. Асинхронним режим називається тому, що кожен байт може бути зміщений у часі щодо попереднього байта. Така асинхронність передачі байта не впливає на коректність прийнятих даних, тому що на початку кожного байта відбувається додаткова синхронізація приймача з джерелом за рахунок бітів «старт». При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байтів відсутні. Користувальницькі дані збираються в кадр, що випереджається байтами синхронізації, які містять заздалегідь відомий код. Отримання цього байту синхронізує приймач з передавачем.
Залежно від можливих напрямків передачі інформації розрізняють такі канали зв’язку: сиплексні (передача інформації в одному напрямі), напівдуплексні (почергова передача інформації в обох напрямках), дуплексні (передача інформації одночасно в обох напрямках). Найуніверсальнішим і найпродуктивнішим способом роботи каналу є дуплексний режим. Найпростішим варіантом організації дуплексного режиму є використання двох незалежних фізичних каналів (двох пар провідників чи двох світоводів) у кабелі, кожний з яких працює в симплексному режимі, тобто передає дані в одному напрямку. Саме така ідея лежить в основі реалізації дуплексного режиму роботи в багатьох мережевих технологіях, наприклад Fast Ethernet чи ATM.
При цифровому кодуванні дуплексний режим на двухпровідній лінії організується за допомогою техніки TDM (Time Division Multiplexing). Частина тайм-слотів використовується для передачі даних в одному напрямку, а інша частина — для передачі в іншому напрямку. Звичайно тайм-слоти протилежних напрямків чергуються, через що такий спосіб іноді називають “пінг-понговою” передачею. TDM-поділ лінії характерний, наприклад, для цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN) на абонентських двухпровідних термінальних пристроях.
У волоконно-оптичних кабелях при використанні одного оптичного волокна для організації дуплексного режиму роботи застосовується передача даних в одному напрямку за допомогою світлового пучка однієї довжини хвилі, а в зворотному — іншої довжини хвилі. Така техніка відноситься до методу FDM (Frequency Division Multiplexing), однак для оптичних кабелів вона одержала назву поділу за довжиною хвилі (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM застосовується і для підвищення швидкості передачі даних в одному напрямку, зазвичай використовуючи від 2 до 16 каналів.
Інформація в мережах передається окремими порціями, званими на різних рівнях пакетами,кадрами, блоками чи модулями. Довжина цих пакетів обмежена, як зверху (зазвичай величиною в декілька кілобайт), так і знизу (як правило, декількома десятками байт). Більші довжини пакетів збільшують тривалість часу доступу абонента до мережі, тобто проміжок часу між готовністю абонента до передачі і моментом початку цієї передачі при надходженні черги даного абонента. Якби вся необхідна інформація передавалася якимось абонентом відразу, безперервно, без розділення на пакети, це привело б до монопольного захоплення мережі цим абонентом на досить тривалий час, протягом якого решта абонентів змушена була б чекати закінчення цієї передачі Застосування пакетівобмеженої довжини вирівнює величину часу доступу до мережі і інтегральну швидкість передачі інформації для всіх абонентів. Окрім того, при передачі великих масивів інформації зростає ймовірність помилки внаслідок завад і збоїв . Наприклад, за типової для локальних мереж ймовірності одиночної помилки в 10-8 , пакет завдовжки 10 Кбіт буде спотворений з ймовірністю 10-4, а масив завдовжки 10 Мбіт – вже з ймовірністю 10-1. До того ж виявити помилку в масиві з кількох мегабайт набагато складніше, ніж в пакеті з кількох кілобайт. Водночас більші пакети мають перевагу перед меншими за часткою наявної корисної інформації, оскільки обсяг службової інформації, яка містить, зокрема, адреси передавача і отримувача, не залежить від загальної довжини пакета. Існує певна оптимальна довжина пакету, яка залежить від параметрів мережі та інтесивності обміну даних у ній.
Процес інформаційного обміну в мережі є чергуванням пакетів, кожен з яких містить інформацію, передавану від абонента до абонента. Кожен абонент (вузол) локальної мережі повинен мати свою унікальну адресу, для того, щоб йому можна було адресувати пакети. Існують дві основні системи присвоєння адрес абонентам мережі (точніше, мережевим адаптерам цих абонентів).
Перша система передбачає, що при установці мережі кожному абонентові користувач присвоює індивідуальну адресу в порядку монотонного зростання, наприклад, від 0 до 30 або від 0 до 254. Присвоєння адрес проводиться програмно або за допомогою перемикачів на платі адаптера. Переваги даного підходу – малий об'єм службової інформації в пакеті та простота апаратури адаптера, що розпізнає адресу пакету. Недолік – трудомісткість завдання адрес і можливість помилки (наприклад, двом абонентам мережі може бути присвоєна одна і та ж адреса). Контроль унікальності мережевих адрес всіх абонентів покладається на адміністратора мережі.
у більшості мереж застосовується другий підхід до адресації, розроблений IEEE. За ним унікальна мережева адреса присвоюється кожному адаптеру мережі ще на етапі його виготовлення. Якщо кількість можливих адрес буде достатньо великою, то можна бути впевненим, що в будь-якій мережі по всьому світу ніколи не буде абонентів із однаковими адресами. Тому був вибраний 48-бітовий формат адреси, що відповідає приблизно 280 трильйонам різних варіантів. Зрозуміло, що стільки мережевих адаптерів ніколи не буде випущено. Так побудована IP-адреса – запис, який точно визначає місцезнаходження комп’ютера в мережі Інтернет і є записом чотирьох чисел у діапазоні від 0 до 255, відділених крапками, наприклад, 220. 15.68.33. Запис IP- адреси складається ніби з двох частин: перша означає адресу підмережі Інтернету, до якої підключено вузол, а друга — адресу локально вузла всередині підмережі.
Надати кожній парі взаємодіючих абонентів (якими можуть бути термінальні пристрої, віддалені комп'ютери, локальні мережи тощо) свою власну фізичну лінію зв'язку, якою вони могли б монопольно «володіти» протягом тривалого часу, практично неможливо.Тому в кожній мережі застосовується певний спосіб комутації абонентів, що забезпечує доступність наявних фізичних каналів одночасно для кількох сеансів зв'язку між абонентами (вузлами) мережі.Для організації зв’язку між двома вузлами можуть використовуватися різні методи комутації: комутація каналів (комутується прямий канал між комп’ютерами), комутація пакетів (вся інформація, що передається ділиться на блоки — пакети) та комутація повідомлень (передача єдиного блоку даних між транзитними комп'ютерами мережі)
Комутація каналів. Під комутацією каналів розуміють утворення фізичного каналу складеного із послідовно з'єднаних окремих канальних ділянок для прямої передачі даних між вузлами. Окремі канали з'єднуються між собою спеціальною апаратурою — комутаторами, що можуть встановлювати зв'язок між будь-якими кінцевими вузлами мережі. У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої і створюється складений канал. Наприклад, якщо мережа працює за технологією комутації каналів, то вузол А, який повинен передати дані вузлу Б, спочатку повинен передати спеціальний запит на встановлення з'єднання відповідному комутатору, вказавши адресу призначення Б. Комутатор повинен вибрати маршрут утворення складного каналу, а потім передати запит наступному комутатору по шляху до Б, і нарешті – вузлу Б. Якщо вузол Б приймає запит на встановлення з'єднання, він направляє за уже встановленим каналом відповідь вихідному вузлу А, після чого складений канал вважається зкомутованим і вузли А і Б можуть обмінюватися по ньому даними.
Комутатори, а також їхні з'єднуючі фізичні канали можуть забезпечувати одночасну передачу даних декількох абонентських каналів на основі їх мультиплексування. Якщо аналогові сигнали кожного абонентського каналу перенести у свій власний діапазон частот, то в одному широкосмуговому каналі можна одночасно передавати сигнали декількох абонентських каналів (частотне мультиплексування (Frequency Division. Multiplexing, FDM)). Аналогічно дискретні імпульси можна передавати по черзі упродовж виділеного часу (тайм-слоту). Така техніка мультиплексування отримала назву мультиплексування з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM).
Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента, який викликається. Вона проходить через комутатори і налагоджує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і зрештою досягає абонента, який викликається. Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу вже вичерпана, абло якщо запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимсь іншим. Якщо з'єднання може бути встановлено, йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або ж фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом всього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідною для таких додатків, як передача голосу, зображення чи керування об'єктами в реальному масштабі часу. Однак динамічно змінювати пропускну здатність каналу на вимогу абонента мережі з комутацією каналів не можливо, що в умовах пульсуючого трафіка робить використання пропускної здатності неефективними. Недоліком мереж з комутацією каналів є також неможливість застосування апаратури користувачів, яка працює з різною швидкістю. Мережі з комутацією каналів добре пристосовані для комутації потоків даних постійної швидкості, коли одиницею комутації є не окремий байт чи пакет даних, а довгостроковий синхронний потік даних між двома абонентами. Для таких потоків мережі з комутацією каналів додають мінімум службової інформації для маршрутизації даних через мережу, використовуючи тимчасову позицію кожного біта потоку в якості його адреси призначення в комутаторах мережі. Водночас мережі з комутацією каналів не можуть динамічно перерозподіляти пропускну здатність магістральних каналів між потоками абонентських каналів.
Комутація пакетів. Комутація пакетів — це техніка комутації абонентів, яка була спеціально розроблена для ефективної передачі пульсуючого комп'ютерного трафіка. Коефіцієнт пульсації трафіка окремого користувача мережі (відношення середньої інтенсивності обміну даними до максимально можливого) може складати 1:50 чи 1:100. Якщо організувати комутацію між комп'ютером користувача і сервером методом комутації каналу, значну частину часу канал буде простоювати, а частина тайм-слотів чи частотних смуг комутаторів буде зайнята і недоступна іншим користувачам мережі.
При організації зв’язку методом комутації пакетів всі повідомлення передані користувачем мережі розбиваються у вихідному вузлі на порівняно невеликі частини, які називаються пакетами. Нагадаємо, що повідомленням називається логічно завершена порція даних — запит на передачу файлу, відповідь на цей запит, що містить весь файл тощо. Повідомлення можуть мати довільну довжину, від декількох байт до багатьох мегабайт. Довжина пакету теж може бути змінною, але у значно вужчих межах, наприклад від 46 до 1500 байт. Кожен пакет забезпечується заголовком, у якому вказується адресна інформація, необхідна для доставки пакета вузлу призначення, а також номер пакета, що буде використовуватися вузлом призначення для складання повідомлення. Пакети транспортуються в мережі як незалежні інформаційні блоки від користувача до вузла, від вузла до вузла, від вузла до користувача з можливою часовою затримкою у вузлах. Комутатори мережі приймають пакети від кінцевих вузлів і на підставі адресної інформації передають їх один одному, а наприкінці — вузлу призначення.
Комутатори пакетної мережі відрізняються від комутаторів каналів тим, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, якщо вихідний порт комутатора в момент прийняття пакета зайнятий передачею іншого пакета. У цьому випадку пакет знаходиться якийсь час у черзі пакетів у буферній пам'яті вихідного порту, а коли до нього дійде черга, він передається наступному комутатору. Така схема передачі даних дозволяє згладжувати пульсації трафіка на магістральних зв'язках між комутаторами і тим самим використовувати їх найбільш ефективним чином для підвищення пропускної здатності мережі в цілому. Мережа з комутацією пакетів сповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, тому що їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, доки по магістральних зв'язках передаються інші пакети, що прийшли в комутатор раніше, проте загальний обсяг переданих мережею комп'ютерних даних в одиницю часу при техніці комутації пакетів буде вищим, ніж при комутації каналів завдяки тому, що пульсації окремих абонентів розподіляються в часі за законом великих чисел. Комутатори постійно і досить рівномірно завантажені роботою, якщо число абонентів, що обслуговуються ними, дійсно велике. Окрім того, у випадку перевантаження мережі, інформація, на відміну від мережі з комутуванням каналів, не втрачається, а лише затримується у буферних запамятовуючих вузлах; можливе застосування системи пріоритетів та використання різних швидкостей передачі на різних ділянках мережі. Вищу ефективність мереж з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів було доведено в 60-і роки як експериментально, так і за допомогою імітаційного моделювання. Ефективність мереж оцінювалась обсягом переданих даних від однакової кількості абонентів в одиницю часу при однаковій пропускній здатності каналів зв'язку. Однак для кожної пари абонентів пропускна здатність мережі може виявитися нижчою, ніж у мережі з комутацією каналів за рахунок черг пакетів у комутаторах. Більше того, у окремих випадках, зокрема, у випадку постійного завантаження прямого і зворотного каналів, застосування пакетної комутації недоцільне.
Основними різновидами пакетної комутації є дейтаграмний режим і метод віртуального каналу.
Дейтаграмний режим, запропонований у 1961 р. Л.Клейнроком і застосований у мережі ARPANET (прототип мережі Інтернет), а пізніше у мережах IP та Ethernet. передбачає незалежну маршрутизацію кожного пакета. Цей режим базується на тому, що пакети, які називають дейтаграмами, обробляються незалежно один від одного; у кожній дейтаграмі вказується адреса, і пакети пересуваються по мережі за довільними маршрутами. Якщо вузол зайнятий, визначається інший напрямок, тому метод інколи називають методом «гарячої картоплі». За цього методу комутатор може змінити маршрут будь-якого пакету залежно від стану мережі — працездатності каналів і інших комутаторів, довжини черг пакетів у сусідніх комутаторах тощо. Основні особливості цього методу наступні:
· кожен вузол самостійно знаходить напрямок наступної передачі пакету (на основі даних заголовка пакету і аналізу ситуації в мережі);
· швидкість передачі (пропускна спроможність) є фіксованою;
· різні пакети з однаковими заголовками можуть досягти крайового вузла різними шляхами за різні проміжки часу;
· оновлення пакетів в потрібному порядку відбувається на останньому вузлі чи в терміналі;
· завдяки можливості вибору шляху надійність мережі зростає;
· прийняття пакету не підтверджується, що зменшує надійність роботи мережі;
· послідовність передачі пакетів може бути порушена, що може призводити до затримки і спотворення інформації, і потребує спеціальних засобів свого відновлення.
Для подолання недоліків дейтаграмного методу був розроблений інший режим роботи мережі — передача пакетів за віртуальним каналом (Д.Дейвіс, Великобританія, 1966 р.). В методі віртуального каналу до відправлення пакетів одного повідомлення, тобто до початку передачі даних між двома кінцевими вузлами, формується один чи більше повних маршрути, які з'єднують ці кінцеві вузли. Ці маршрути називаються віртуальними каналами. Зазвичай між двома кінцевими вузлами мережі встановлюється декілька шляхів проходження трафіку (віртуальних каналів). Рішення про те, які саме потоки передаватимуться і за якими шляхами, приймають самі крайові вузли (наприклад, для електронної пошти може бути один шлях, а для трафіку реального часу — інший). Після формування та обрання віртуального каналу для певного трафіку до службового пакету додається ідентифікатор цього каналу. У разі відмови комутатора чи інших елементів на шляху віртуального каналу, з'єднання розривається і віртуальний канал прокладають заново з обходом несправних ділянок мережі. Якщо віртуальний канал встановлюється при передачі в мережу спеціального пакета - запиту на встановлення з'єднання, який проходить через комутатори і «прокладає» віртуальний канал, то цей канал називають динамічним. Комутатори запам'ятовують маршрут для даного з'єднання і при надходженні наступних пакетів даного з'єднання відправляють їх завжди за прокладеним маршрутом. Віртуальні канали можуть також створюватися адміністраторами мережі шляхом ручного налагодження комутаторів. Такі канали називають постійними.
За методу віртуального каналу різні пакети з однаковими заголовками можуть дістатися до кінцевого вузла передачі різними шляхами і за різний час. Час передачі є меншим, ніж за дейтаграмного методу. Послідовність пакетів в процесі передачі не змінюється, що знімає проблему відповідних затримок і спотворень інформації. Найвдаліше метод реалізований у мережах, побудованих за протоколами Х.25, ATM чи MPLS.
Перевагою дейтаграмного методу стосовно методу віртуального каналу є те, що дейтаграмний метод не вимагає попереднього встановлення з'єднання і тому працює без затримки перед передачею даних. Це особливо вигідно для передачі невеликого обсягу даних, коли час встановлення з'єднання може бути співставним з часом передачі даних. Крім того, дейтаграмний метод швидше адаптується до змін у мережі.
При використанні методу віртуального каналу час, витрачений на його встановлення, компенсується наступною швидкою передачею всього потоку пакетів. Комутатори розпізнають приналежність пакета до віртуального каналу по спеціальній мітці — ідентифікатору віртуального каналу, а не аналізують адреси кінцевих вузлів, як це робиться при дейтаграмному методі.
Однією з відмінностей методу комутації пакетів від методу комутації каналів є невизначеність пропускної здатності з'єднання між двома абонентами. У методі комутації каналів після утворення складеного каналу пропускна здатність мережі при передачі даних між кінцевими вузлами відома — це пропускна здатність каналу. Дані після затримки, зв'язаної з встановленням каналу, починають передаватися на максимальній для каналу швидкості. У мережі з комутацією пакетів додатковий час витрачається на встановлення з'єднання (якщо воно використовується), на передачу заголовків, на формування чергового пакета стеком протоколів (інтервали між передачею кожного наступного пакета), на затримку у кожному комутаторі (час буферизації пакету + час комутації, який своєю чергою складається з часу чекання пакета в черзі і часу переміщення пакета у вихідний порт). Якщо час переміщення пакета фіксований і зазвичай невеликий (від декількох мікросекунд до декількох десятків мікросекунд), то час очікування пакета в черзі коливається в дуже широких межах і заздалегідь невідомий, тому що залежить від поточного завантаження мережі пакетами.
Ці затримки приводять до того, що процес передачі для визначеної пари абонентів у мережі з комутацією пакетів є більш повільним, чим у мережі з комутацією каналів, і невизначеним. Невизначена пропускна здатність мережі з комутацією пакетів — це плата за її загальну ефективність при деякому обмеженні інтересів окремих абонентів.
На ефективність роботи мережі істотно впливають розміри пакетів, які передає мережа. Занадто великі розміри пакетів наближають мережу з комутацією пакетів до мережі з комутацією каналів, тому ефективність мережі при цьому падає. Занадто маленькі пакети помітно збільшують частку службової інформації, тому що кожен пакет несе із собою заголовок фіксованої довжини, а кількість пакетів, на які розбиваються повідомлення, буде різко рости при зменшенні розміру пакета. Тому розробники протоколів для мереж з комутацією пакетів обирають межі, у яких може знаходитися оптимальна довжина пакета, а точніше його поле даних, бо заголовок, як правило, має фіксовану довжину. При виборі розміру пакета необхідно враховувати також і інтенсивність бітових помилок каналу. На ненадійних каналах необхідно зменшувати розміри пакетів, тому що це зменшує обсяг повторно переданих даних при перекручуваннях пакетів.
Комутація повідомлень. Комутація повідомлень передбачає передачу єдиного блоку даних (повідомлення) між транзитними комп'ютерами мережі з тимчасовою буферизацією цього блоку на диску кожного комп'ютера. Повідомлення на відміну від пакета має довільну довжину, що визначається не технологічними особливостями, а змістом інформації, що складає повідомлення. Наприклад, повідомленням може бути текстовий документ, файл із кодом програми, електронний лист.
Транзитні комп'ютери можуть з'єднуватися між собою як мережею з комутацією пакетів, так і мережею з комутацією каналів. Повідомлення зберігається в транзитному комп'ютері на диску, причому час збереження може бути досить великим, якщо комп'ютер завантажений іншими роботами чи мережа тимчасово перевантажена.
За такою схемою зазвичай передаються повідомлення, що не вимагають негайної відповіді, найчастіше повідомлення електронної пошти. Режим передачі з проміжним збереженням на диску називається режимом «збереження-і-передача» (store-and-forward).
Кількість транзитних комп'ютерів бажано зменшувати. Якщо комп'ютери підключені до мережі з комутацією пакетів, то число проміжних комп'ютерів зазвичай зводиться до двох. Наприклад, користувач передає поштове повідомлення своєму серверу вихідної пошти, а той відразу намагається передати повідомлення серверу вхідної пошти адресата. Але, якщо комп'ютери зв'язані між собою телефонною мережею, часто використовується декілька проміжних серверів, тому що прямий доступ до кінцевого сервера може бути неможливим у даний момент часу, через перевантаження телефонної мережі або економічно невигідним, через високі тарифи на далекий телефонний зв'язок.
Режим комутації повідомлень розвантажує мережу для передачі трафіка, що вимагає швидкої відповіді, наприклад, у служби WWW чи файлової служби. Комутація повідомлень призначена для організації взаємодії користувачів у режимі off-line, коли не очікується негайної реакції на повідомлення. Техніка комутації повідомлень з'явилася в комп'ютерних мережах раніше техніки комутації пакетів, однак потім поступилася їй, як більш ефективнішій за пропускною здатністю. Запис повідомлення на диск займає досить багато часу, крім того, наявність дисків передбачає дорогі спеціалізовані комп'ютери, що працюють як комутатори.