Принципы функциональной организации компьютерных сетей. Коммутация. Коммутация каналов. Коммутация сообщений. Коммутация пакетов. Коммутация ячеек.

Функциональная организация компьютерной сети складывается из функциональной организации вычислительного процесса (обработки данных) и процесса передачи данных.

Функциональная организация вычислительного процесса определяется режимами функционирования отдельных компьютеров сети и способом реализации обработки данных в компьютерной сети. Обработка данных в компьютерных сетях может быть реализована двумя способами:

· распределённая обработка, при которой обработка данных распределяется между несколькими узлами (компьютерами) и выполняется параллельно;

· централизованная обработка, при которой данные обрабатываются в одном центральном узле (компьютере), в качестве которого обычно выступает сервер, при этом другие компьютеры рассматриваются как клиенты (удалённые терминалы), формирующие запросы к центральному узлу.

Функциональная организация процесса передачи данных в значительной степени определяется:

· способом организации взаимодействия между абонентами сети – способом коммутации;

· методами управления трафиком (потоками данных), реализуемыми на разных уровнях OSI-модели.

Передача данных в компьютерной сети предполагает организацию физического или логического соединения между взаимодействующими пользователями сети (конечными узлами).

Организация взаимодействия между абонентами компьютерной сети называется коммутацией. Коммутация в сети может быть реализована разными способами, которые можно разбить на две группы:

· способы коммутации без промежуточного хранения данных;

· способы коммутации с хранением данных в промежуточных узлах.

В качестве способа коммутации без промежуточного хранения данных в компьютерных сетях применяется коммутация каналов, используемая в традиционных телефонных сетях связи.

Для передачи данных в компьютерных сетях был разработан новый способ коммутации – коммутация сообщений, предполагающая использование в качестве узлов связи специализированных средств вычислительной техники, что позволяло реализовать в промежуточных узлах хранение передаваемых данных, обеспечивающее ряд преимуществ по сравнению с коммутацией каналов.

Коммутация каналов основана на формировании единого физического соединения (канала) между взаимодействующими абонентами для непосредственной передачи данных из конца в конец так же, как это реализуется в традиционных телефонных сетях.

Если абонент А1 хочет передать данные абоненту А2, то перед началом передачи он предварительно должен установить соединение с абонентом А2 путем посылки специального служебного сообщения «УС – установить соединение», которое «прокладывает» путь, формируя в каждом из промежуточных узлов непосредственное физическое (электрическое) соединение между входным и выходным портами узла. После того, как служебное сообщение достигнет абонента А2, последний формирует и посылает по созданному пути (маршруту) абоненту А1 новое служебное сообщение «ПС – подтвердить соединение», подтверждающее установление соединения между абонентами сети. Только после получения такого сообщения абонент А1 может начать передачу сообщения С абоненту А2 по установленному маршруту. Созданное физическое соединение обычно существует в течение времени передачи данных, называемого сеансом или сессией (session), по завершению которого это соединение может быть разрушено. Такой канал между двумя абонентами сети называется вр е менным или коммутируемым, в отличие от некоммутируемого (выделенного) канала, который формируется единожды и существует постоянно или, по крайней мере, в течение длительного времени, независимо от того, передаются данные или же канал простаивает.

Достоинства:

· возможность использования существующих и достаточно хорошо развитых телефонных сетей связи;

· отсутствие необходимости в хранении передаваемых данных в промежуточных узлах сети;

· высокая эффективность при передаче больших объемов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается незначительным.

Недостатки:

· каналы связи на всем пути передачи данных должны иметь одинаковые пропускные способности и обеспечивать одинаковую скорость передачи данных, в противном случае, если пропускная способность некоторого канала связи окажется меньше пропускной способности предыдущего канала, произойдёт потеря передаваемых данных, поскольку в промежуточных узлах отсутствует возможность буферирования (вр е менного хранения) данных;

· большие накладные расходы на установление соединения на начальном этапе, что негативно сказывается при передаче небольших объёмов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается существенным, что приводит к неэффективному использованию ресурсов (пропускной способности) каналов связи, что проявляется в значительном уменьшении реальной скорости передачи данных по отношению к максимально возможной скорости канала, называемой пропускной способностью;

· телефонные каналы связи, ориентированные на передачу голоса, имеют сравнительно низкое качество и обеспечивают передачу компьютерных данных с невысокой скоростью, что не позволяет их использовать в высокоскоростных магистральных сетях.

Коммутация сообщений, в отличие от коммутации каналов, предполагает хранение передаваемых сообщений в буферной памяти промежуточных узлов, находящихся на пути передачи, который прокладывается в каждом узле в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации. При этом не требуется предварительно устанавливать соединение между взаимодействующими абонентами.

Если абонент А1 желает передать сообщение С абоненту А2, то он, не устанавливая непосредственное соединение с А2, посылает сообщение к узлу связи, к которому он подключён. Там сообщение хранится в буфере узла в течение некоторого времени, необходимого для анализа заголовка, определения в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации следующего узла и, возможно, ожидания освобождения канала связи с этим узлом, если канал занят передачей ранее обработанного сообщения. Проходя таким образом через все узлы, находящиеся на пути передачи, сообщение достигает конечного абонента А2. Отметим ещё раз, что направление передачи сообщения, то есть его маршрут в сети, определяется только после поступления сообщения в тот или иной узел сети, а не устанавливается заранее, как это происходит при коммутации каналов.

Достоинства:

· не требуется предварительное установление соединения, что существенно снижает накладные расходы, но не делает их нулевыми, поскольку имеются непроизводительные затраты времени в каждом узле на обработку заголовка и реализацию алгоритма маршрутизации; однако в целом эти затраты существенно меньше по сравнению с затратами на установление соединения при коммутации каналов;

· каналы связи на всем пути передачи могут иметь разные пропускные способности, поскольку буферирование сообщений в узлах сети позволяет сгладить различие в пропускных способностях входного и выходного каналов узла.

Недостатки:

· необходимость хранения передаваемых сообщений в промежуточных узлах, что требует значительной ёмкости буферной памяти, которая рассчитывается как произведение ёмкости одного буфера на максимально возможное количество сообщений, которые одновременно могут находиться в узле; ёмкость одного буфера должна быть рассчитана на сообщения максимальной длины, которая, например, для видео файлов может составлять несколько гигабайт, что делает ёмкость буферной памяти узла неоправданно большой; при этом коэффициент использования (загрузки) буферной памяти оказывается незначительным, поскольку большинство сообщений, занимая один буфер, будут иметь длину много меньше, чем ёмкость буфера;

· задержка в промежуточных узлах может оказаться значительной, особенно из-за большого времени ожидания освобождения выходного канала связи при большой загрузке сети, что приводит к увеличению времени доставки сообщений;

· монополизация среды передачи (канала связи) на длительный промежуток времени при передаче длинных сообщений приводит к неоправданно большим задержкам коротких сообщений в связи с ожиданием освобождения канала, длительность которого может многократно превышать время непосредственной передачи этих сообщений.

Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений лишь тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины, называемых пакетами, каждый из которых имеет структуру аналогичную структуре сообщений: заголовок, текст и, возможно, концевик. При этом, заголовки всех пакетов одного и того же сообщения содержат одни и те же адреса назначения и источника. Каждый пакет сообщения передаётся в сети как независимый блок данных в соответствии с адресом назначения, указанным в заголовке.

Достоинства:

· меньшее время доставки сообщения в сети;

· более эффективное использование буферной памяти в узлах;

· более эффективная организация надёжной передачи данных;

· среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

· задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений.

Недостатки:

· большие накладные расходы на передачу и анализ заголовков всех пакетов сообщения, что снижает эффективную (реальную) пропускную способность канала связи, используемую непосредственно для передачи данных, и, следовательно, увеличивает время доставки сообщения в сети, в том числе и за счёт дополнительных затрат времени на обработку заголовков пакетов в узлах сети;

· необходимость сборки из пакетов сообщения в узле назначения может существенно увеличить время доставки сообщения конечному абоненту за счёт ожидания прихода всех пакетов сообщения, поскольку в случае потери хотя бы одного пакета, сообщение не сможет быть собрано в конечном узле сети; при этом возникает серьёзная проблема, связанная с определением предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле; при большом значении этого времени в конечном узле может скопиться большое число пакетов разных сообщений, что приведёт к переполнению буферной памяти узла и, как следствие, к потере передаваемых пакетов или к отказу в приёме новых пакетов, что, в свою очередь, не позволит собрать сообщения; маленькое значение предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле может создавать такую ситуацию, при которой большое количество сообщений не смогут дождаться прихода последнего пакета и, поскольку по истечении этого времени все пакеты таких сообщений будут удалены из буферной памяти, потребуется повторная передача всех пакетов этих сообщений, что приведёт к значительной загрузке оборудования (узлов и каналов) сети и, в пределе, может вызвать перегрузку сети.

Коммутация ячеек – способ коммутации, который можно рассматривать как частный случай коммутации пакетов со строго фиксированной длиной передаваемых блоков данных в 53 байта, называемых ячейками.

Достоинства:

· маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);

· быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

· более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация буферной памяти и надежной передачи данных.

Недостатки:

· наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу заголовка (почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

Коммутация пакетов и коммутация каналов – основные способы передачи данных в компьютерных сетях, поскольку коммутация пакетов обеспечивает более эффективную передачу данных через СПД по сравнению с коммутацией сообщений (в первую очередь, значительно меньшие задержки), а коммутация каналов может быть достаточно легко реализована на основе существующей телефонной сети.