Глава 3 коммутация каналов и пакетов

В этой главе продолжается исследование общих принципов коммутации в телекоммуникационных сетях. Мы детально изучим и сравним два основных типа коммутации — коммутацию каналов и ком­мутацию пакетов.

Исторически коммутация каналов появилась намного раньше коммутации пакетов и ведет свое происхождение от первых телефонных сетей. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности физического канала является принципиальным ограничением сети с коммутацией каналов.

Принцип коммутации пакетов был изобретен разработчиками компьютерных сетей. При коммутации пакетов учитываются особенности компьютерного трафика, поэтому данный способ коммутации является более эффективным для компьютерных сетей по сравнению с традиционным методом коммутации каналов, применяющимся в телефонных сетях.

Однако достоинства и недостатки любой сетевой технологии — относительны. Наличие буферной памяти в коммутаторах пакетных сетей позволяет эффективно использовать пропускную способность каналов при передаче пульсирующего трафика, но приводит к случайным задержкам в доставке пакетов, что является недостатком для трафика реального времени, который традиционно передается с помощью техники коммутации каналов.

В этой главе рассматриваются три метода продвижения пакетов, используемые в сетях с коммутацией пакетов: дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и техника виртуальных каналов.

В заключение главы рассматривается пример сети, построенной на стандартной технологии коммутации пакетов Ethernet.

Коммутация каналов

Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и се­годня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания высокоскоростных магистральных каналов связи. Первые сеансы связи между компью­терами были осуществлены через телефонную сеть, то есть также с применением техники коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети.

В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов ^[11]. Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Для всех возможных потоков заранее определяются марш­руты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администра­тором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На осно­вании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако, как уже было сказано, в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности.

Элементарный канал

Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

Элементарный канал (или просто канал) — это базовая техническая характеристика сети с ком­мутацией каналов, представляющая собой некоторой фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

В предыдущих разделах мы использовали термин «канал» как синоним термина «линия связи». Говоря же о сетях с коммутацией каналов, мы придаем термину «канал» значение единицы пропускной способности.

Значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной способности для передачи ожидаемой предложенной нагрузки. Например, в традиционных телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала сегодня является скорость 64 Кбит/с — это минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса.

ОЦИФРОВЫВАНИЕ ГОЛОСА

Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы — передачи анало­говой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Дискретная модуляция непрерывного процесса

 

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом — за счет этого про­исходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям — непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 фадаций звукового сигнала (дискретиза­ция по значениям). В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с: 8000 х 8 - 64 000 бит/с или 64 Кбит/с. Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Линии связи в сетях с коммутацией пакетов (как, впрочем, и в остальных типах компьютер­ных сетей) имеют разную пропускную способность, одни — большую, другие — меньшую. Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут возникнуть в разных фрагментах сети — чем ближе к центру сети, тем выше пропускная способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого количества периферийных линий связи.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.

Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2,24 или 30 элементарных каналов, а линии, соединяющие коммутаторы, — 480 или 1920 каналов.

Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис. 3.2. Предположим, что эта сеть характеризуется элементарным каналом Р бит/с. В сети существуют линии связи разной пропускной способности, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. На рисунке по­казаны два абонента, A и В, генерирующие во время сеанса связи (телефонного разговора) информационный поток, для которого в сети был предусмотрен маршрут, проходящий через четыре коммутатора S 1, S 2, S 3 и S 4. Предположим также, что интенсивность инфор­мационного потока между абонентами не превосходит 2 Р бит/с. Тогда для обмена данны­ми этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных от пункта A к пункту В. На рисунке эти элементарные каналы, необходимые абонентам А и В, обозначены толстыми линиями.

Рис. 3.2. Составной канал в сети с коммутацией каналов

 

Составной канал

Связь, построенную путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называют состав­ным каналом.

В рассматриваемом примере для соединения абонентов A и В был создан составной канал «толщиной» в два элементарных канала. Если изменить наше предположение и считать, что предложенная нагрузка гарантированно не превысит Р бит/с, то абонентам будет до­статочно иметь в своем распоряжении составной канал, «толщиной» в один элементарный канал. В то же время абоненты, интенсивно обменивающиеся данными, могут предъявить и более высокие требования к пропускной способности составного канала. Для этого они должны в каждой линии связи зарезервировать за собой большее (но непременно одина­ковое для всех линий связи) количество элементарных каналов.

Подчеркнем следующие свойства составного канала

§ составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элемен­тарных каналов;

§ составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;

§ составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;

§ на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступа­ют в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;

§ в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;

§ данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зави­симости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;

§ после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи (обычная ситуация для телефонной сети, в которой одновременно передаются разговоры сотен и тысяч абонентов). Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов. Например (см. рис. 3.2), мы можем предположить, что после того как в линии связи S 2- S 3 было выделено два канала для связи абонентов А и В, оставшиеся три эле­ментарных канала были распределены между тремя другими сеансами связи, проходив­шими в это же время и через эту же линию связи. Такое мультиплексирование позволяет одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логиче­ских соединений.

Мультиплексирование означает, что абоненты вынуждены конкурировать за ресурсы, в данном случае за элементарные каналы. Возможны ситуации, когда некоторая проме­жуточная линия связи уже исчерпала свободные элементарные каналы, тогда новый сеанс связи, маршрут которого пролегает через данную линию связи, не может состояться.

Для того чтобы распознать такие ситуации, обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором сеанса связи (например, абонент А в нашей сети), посылает в коммутационную сеть запрос, представляющий собой сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента, например абонента В ^[12].

Цель запроса — проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. А для этого требуется соблюдение двух условий: наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от А к В, и незанятость вызываемого абонента в другом соединении.

Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной пары абонентов. При этом используются глобальные таблицы коммутации, ставящие в со­ответствие глобальному признаку потока (адресу вызываемого абонента) идентификатор выходного интерфейса коммутатора (как уже упоминалось, такие таблицы часто называют также таблицами маршрутизации).

Если в результате прохождения запроса от абонента А к абоненту В выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, происходит фиксация составного канала. Для этого во всех коммутаторах вдоль пути от А до В создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками пото­ка — номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи. Только после этого составной канал считается установленным, и абоненты А и В могут начать свой сеанс связи.

Таким образом, продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа:

1. В сеть поступает служебное сообщение — запрос, который несет адрес вызываемого абонента и организует создание составного канала.

2. По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для пере­дачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков — номеров элементарных каналов.

Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно. Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения. Например, если во время сеанса связи абонентов А и В абонент С пошлет запрос в сеть на установ­ление соединения с абонентом D то он получит отказ, потому что оба необходимых ему элементарных канала, составляющих линию связи коммутаторов S 3 и S 4, уже выделены соединению абонентов А и В (рис. 3.3). При отказе в установлении соединения сеть инфор­мирует вызывающего абонента специальным сообщением^[13]. Чем больше нагрузка на сеть, то есть чем больше соединений она в данный момент поддерживает, тем больше вероятность отказа в удовлетворении запроса на установление нового соединения.

Мы описали процедуру установления соединения в автоматическом динамическом режиме, основанном на способности абонентов отправлять в сеть служебные сообще­ния — запросы на установление соединения и способности узлов сети обрабатывать такие сообщения. Подобный режим используется телефонными сетями: телефонный аппарат генерирует запрос, посылая в сеть импульсы (или тоновые сигналы), кодирующие номер вызываемого абонента, а сеть либо устанавливает соединение, либо сообщает об отказе сигналами «занято».

Рис. 3.3. Отказ в установлении соединения в сети с коммутацией каналов

 

Однако это — не единственно возможный режим работы сети с коммутацией каналов, существует и другой статический ручной режим установления соединения. Этот ре­жим характерен для случаев, когда необходимо установить составной канал не на время одного сеанса связи абонентов, а на более долгий срок. Создание такого долговременного канала не могут инициировать абоненты, он создается администратором сети. Очевидно, что статический ручной режим мало пригоден для традиционной телефонной сети с ее короткими сеансами связи, однако он вполне оправдан для создания высокоскоростных телекоммуникационных каналов между городами и странами на более-менее постоянной основе.

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных со­бытий в сети, то есть это технология, стремящаяся к детерминизму. Во избежание всяких возможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется заранее, еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Затем эти каналы за­крепляются на все время сеанса для исключительного использования двумя абонентами и коммутируются в один непрерывный «трубопровод» (составной канал), имеющий «шлюзовые задвижки» на стороне каждого из абонентов. После этой исчерпывающей подготовительной работы остается сделать самое малое: «открыть шлюзы» и позволить информационному потоку свободно и без помех «перетекать» между заданными точка­ми сети (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Сеть с коммутацией каналов как система трубопроводов