2 Коммутация (Лекции по Сетевым технологиям), страница 2

Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена нескольки­ми (по числу транзитных узлов) локальными операциями коммутации. Прежде всего, отправитель должен выставить данные на тот свой интерфейс, с которого начинается найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствую­щим образом выполнить «переброску» данных с одного своего интерфейса на другой, другими словами, выполнить коммутацию интерфейсов. Устройство, функ­циональным назначением которого является коммутация, называется коммута­тором (рис. 3).

Рис. 3. Коммутатор

Однако прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать по­ток. Для этого поступившие данные анализируются на предмет наличия в них признаков какого-либо из потоков, заданных в таблице коммутации. Если прои­зошло совпадение, то эти данные направляются на интерфейс, определенный для них в маршруте.

ВНИМАНИЕ

Термины «коммутация», «таблица коммутации» и «коммутатор» в телекоммуникационных сетях могут трактоваться неоднозначно. Мы уже определили коммутацию как процесс со­единения абонентов сети через транзитные узлы. Этим же термином мы обозначаем и со­единение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла. Коммутатором в широком смысле называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключе­ния потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть вы­полнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации и соответствующие им таблицы и устройства получили специальные назва­ния. Например, в технологиях сетевого уровня, таких как IP и IPX, для обозначения ана­логичных понятий используются термины «маршрутизация», «таблица маршрутизации», «маршрутизатор». В то же время за другими специальными типами коммутации и соот­ветствующими устройствами закрепились те же самые названия «коммутация», «таблица коммутации» и «коммутатор», используемые в узком смысле, например, как коммутация и коммутатор локальной сети. Для телефонных сетей, которые появились намного раньше компьютерных, также характерна аналогичная терминология, коммутатор является здесь синонимом телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо большей (пока) распространенности телефонных сетей чаще всего в телекоммуникациях под термином «ком­мутатор» понимают именно телефонный коммутатор.

Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универ­сальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функ­ции коммутации данных с выполнением своих обычных функций как конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для коммута­ции. Эти узлы образуют коммутационную сеть, к которой подключаются все ос­тальные. На рис. 4 показана коммутационная сеть, образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2, 3, 4, 7, 9 и 10.

Рис. 4. Коммутационная сеть

Мультиплексирование и демультиплексирование

Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен определить, к какому потоку они относятся. Эта задача долж­на решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один «чис­тый» поток или «смешанный» поток, являющийся результатом агрегирования нескольких потоков. В последнем случае к задаче распознавания потоков добав­ляется задача демультиплексирования, то есть разделения суммарного агрегиро­ванного потока на несколько составляющих его потоков.

Как правило, операцию коммутации сопровождает .также обратная операция — мультиплексирование. При мультиплексировании из нескольких отдельных по­токов образуется общий агрегированный поток, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них при­шлось бы для каждого потока предусматривать отдельный канал, что привело бы к большому количеству параллельных связей в сети и свело бы «на нет» все преимущества неполносвязной сети.

На рис.5 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммута­тор 1 имеет пять сетевых интерфейсов. Рассмотрим, что происходит на интерфейсе Инт.1. Сюда поступают данные с трех интерфейсов — Инт.3, Инт.4 и Инт.5. Все их надо передать в общий физический канал, то есть выполнить опе­рацию мультиплексирования. Мультиплексирование является способом разде­ления имеющегося одного физического канала между несколькими одновремен­но протекающими сеансами связи между абонентами сети.

Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение кана­ла, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне. Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммар­ного потока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирова­ние) данных на слагаемые потоки. На интерфейсе Инт.3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих его подпотока. Один из них он передает на интерфейс Инт.1, другой — на Инт.2, а третий — на Инт.5. А вот на интерфейсе Инт.2 нет необходимости выполнять мультиплексиро­вание или демультиплексирование — этот интерфейс выделен одному потоку в монопольное использование.

Коммутатор2 Коммутатор 3

Рис. 5. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации

Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одно­временно выполняться обе функции — мультиплексирования и демультиплек­сирования.

Частный случай коммутатора, у которого все информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, называется мультиплексором (рис 6 а). Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором.

а б

Рис. 6. Мультиплексор и демультиплексор

Коммутация пакетов и каналов

Коммутация каналов

Чтобы объяснить основную идею коммутации каналов, рассмотрим ее в макси­мально упрощенном виде. Как показано на рис. 7, коммутационная сеть состо­ит из коммутаторов (SI, S2,..., S5), связанных между собой линиями связи. Каж­дая линия имеет одну и ту же пропускную способность.

Каждый абонент подключается к сети с помощью терминального устройства (Т), которое посылает данные в сеть с постоянной скоростью, причем эта скорость в точности равна пропускной способности линий. Если в какие-то периоды вре­мени у абонента скорость информации, которую он хочет передать в сеть (предложенная нагрузка), оказывается меньше пропускной способности линии, то терминальное устройство продолжает питать сеть постоянным потоком данных, дополняя полезную информацию пользователя «пустыми» (незначащими) дан­ными. О том, что часть потока битов несет полезную информацию, а часть является «заполнителем», знает терминальное устройство получателя, которое должно отбрасывать незначащую информацию и передавать пользовате­лю только те данные, которые посылал в сеть отправитель.

Так как все мы — многолетние пользователи телефонной сети, которая является наиболее распространенным представителем сетей с коммутацией каналов, то мы будем сопровождать наше объяснение примерами из области телефонии.

Установление соединения

Обмен данными начинается с предварительного установления соединения.

Пусть два абонента А и В хотят передать друг другу некоторые данные (см. рис. 7). Прежде чем отправить данные в сеть (начать разговор), абонент А посылает за­прос в коммутационную сеть, в котором указывается адрес (телефонный номер) абонента В. Цель посылки запроса — установить соединение абонентов А и В информационным каналом, свойства которого подобны свойствам непрерывной линии связи: на всем своем протяжении он передает данные с одной и той же скоростью. Это означает, что в транзитных коммутаторах нет необходимости бу­феризовать данные пользователей.

Скорость передачи данных

Пользователь В

Пользователь А

Скорость передачи данных пользователем

Рис. 7. Коммутация каналов без мультиплексирования

Для создания такого канала запрос должен пройти через последовательность коммутаторов, лежащих на пути от А к В, и удостовериться, что все необхо­димые отрезки пути (линии связи) в данный момент свободны. Кроме того, для успешного соединения необходимо, чтобы конечный узел В не был занят в дру­гом соединении. Чтобы зафиксировать соединение, в каждом из коммутаторов вдоль пути от А до В запоминается информация о том, что соответствующая ли­ния связи выделена соединению абонентов А и В (зарезервирована). В каждом коммутаторе выполняется внутреннее соединение интерфейсов, соответствующих маршруту прохождения данных.

Отказ в установлении соединения

Важной особенностью технологии коммутации каналов является возможность отказа в установлении соединения. Если какая-либо другая пара абонентов обра­тится в сеть с запросом на установление соединения, для создания которого не­обходима хотя бы одна из уже назначенных для А и В линий связи, сеть ответит отказом. Например (см. рис. 7), если абонент С пошлет вызов в сеть на уста­новление соединения с абонентом D, то получит отказ, потому что единственная линия, соединяющая коммутаторы S2 и S4, уже выделена соединению абонентов А и В. При отказе в установлении соединения сеть информирует вызывающего абонента об этом неприятном событии. Телефонная сеть в этом случае передает короткие гудки — сигнал «занято». Некоторые телефонные сети различают со­бытия «сеть занята» и «абонент занят», передавая гудки с разной частотой или используя разные тона.

Гарантированная пропускная способность

Итак, соединение абонентов А и В установлено. Теперь в их (и только в их) рас­поряжении имеется канал, обладающий фиксированной пропускной способно­стью. Это означает, что в течение всего времени соединения они должны посы­лать в сеть данные с этой скоростью и сеть гарантированно будет доставлять эти данные вызываемому абоненту без потерь и с той же скоростью вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет. Абонент не может передавать данные в сеть со скоростью, превышающей пропускную способность линии, но и сеть не может снижать скорость передачи пользователь­ских данных.