Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования

I. Методы коммутации.

Любые сети поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальны сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся между собой с помощью телефонного аппарата. В любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

           

	Рис.5. 1 Общаяя структура сети с коммутацией абонентов

 

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 насколькими абонентами, то есть используются совместно.

Существают три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

- коммутация каналов (circuit switching);

- коммутация пакетов (packet switching);

- коммутация сообещний (message switching).

Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов можно разделить на два класса по другому признаку:

- сети с динамической коммутацией;

- сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователем, а персоналом, обслуживающим сеть. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называют сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей с динамической коммутацией являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Примером сетей с постоянной коммутацией является сети технологии SDH, на основе которой строятся выделенные каналы с пропускной способностью в несколько гигабит.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы (ATM, X25).

Коммутация каналов

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

       Например, на рис.5.1. сеть работает по технологии коммутации каналов (рассказать как проходить сообщение от «1» к «7» и от «4» к «8»)

       Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны обладать следующими свойствами:

- быть высокоскоростными;

- поддерживать технику мультиплексирования.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используется две техники:

- техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);

- техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация пакетов

       Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Проблема заключается в пульсирующем характере трафика (сначала вы только просматриваете заголовки файлов – небольшой трафик, потом начинаете смотреть сам файл – большой трафик и т.д.). Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100.

       При коммутации пакетов все передаваемые пользователям сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщения могут иметь произвольную длину от нескольких байт, до многих мегобайт. Пакеты обычно тоже имеют переменную длину, но в узких пределах от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а так же номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.

 

 

 

       Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Коммутация сообщений

       Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера.

       Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщение может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

       Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение храниться в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.

       По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика WWW или файловой службы.

		Рис.5. 5 Коммутация сообщений

 

       Количество компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь предает сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но, если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть не возможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети.

       Сегодня техника коммутации сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

 

Механизмы доступа к среде

       Каждая сеть должна поддерживать определенный механизм управления доступом к среде передачи данных. Реализуется доступ к среде на втором (канальном) уровне эталонной модели OSI. Хотя теоретически механизм доступа к среде должен быть универсальным, на практике различают несколько способов его реализации. В частности, в локальных сетях для управления доступом к среде передачи данных используется четыре различных подхода:

- конкуренция за право доступа;

- передача маркера;

- доступ по приоритету;

- коммутируемый доступ.

 

Синхронизация

       Для синхронизации всех подключенных устройств кадры канального уровня должны быть определенным образом согласованы. Однако на практике длина этих кадров является переменной величиной.

       Стандарт 802.3 CSMA/CD избегает конфликтов в сети Ethernet путем определения максимального и минимального размера кадра. Длина кадра должна составлять не менее 64 и не более 1524 октетов, включая полезные данные и заголовок. На любой известной скорости эти данные используются для непосредственного вычисления времени распространения стандартных кадров.

       Вероятность возникновения конфликтов в сети повышается двумя факторами:

- количеством устройств, подключенных к сети;

- физическим размером сети.

Чем больше устройств подключено к сети, тем жестче конкуренция за доступную полосу пропускания. Количество подключаемых устройств можно увеличить используя устройства сегментации, такие как мосты, маршрутизаторы и коммутаторы. Эти устройства уменьшают размер конкурирующего домена локальной сети.

 

I. Методы коммутации.

Любые сети поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальны сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся между собой с помощью телефонного аппарата. В любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

           

	Рис.5. 1 Общаяя структура сети с коммутацией абонентов

 

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 насколькими абонентами, то есть используются совместно.

Существают три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

- коммутация каналов (circuit switching);

- коммутация пакетов (packet switching);

- коммутация сообещний (message switching).

Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов можно разделить на два класса по другому признаку:

- сети с динамической коммутацией;

- сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователем, а персоналом, обслуживающим сеть. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называют сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей с динамической коммутацией являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Примером сетей с постоянной коммутацией является сети технологии SDH, на основе которой строятся выделенные каналы с пропускной способностью в несколько гигабит.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы (ATM, X25).

Коммутация каналов

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

       Например, на рис.5.1. сеть работает по технологии коммутации каналов (рассказать как проходить сообщение от «1» к «7» и от «4» к «8»)

       Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны обладать следующими свойствами:

- быть высокоскоростными;

- поддерживать технику мультиплексирования.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используется две техники:

- техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);

- техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования

       Разработана была для телефонных сетей, но применяется и для других видом, например сетей кабельного телевидения.

       Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной сети.

       Речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основные гармоники укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для качественной передачи речевых сообщений достаточно иметь канал с полосой пропускания 3100Гц. В тоже время полоса пропускания кабельных систем с промежуточным усилением, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Однако непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешиваются между собой так, что разделить их будет не возможно.

       Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулируемого сигнала.

       Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов.

       На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет переносы частот каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делиться на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4кГц, а не в 3.1кГц, оставляя между собой, промежуток в 900Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют утопленным.

 

       Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон.

       Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.

       Принципы коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а так же количество низкоскоростных каналов в уплотнении высокоскоростном.